EP4062472A1 - Gas diffusion layer for fuel cells - Google Patents

Gas diffusion layer for fuel cells

Info

Publication number
EP4062472A1
EP4062472A1 EP20803494.2A EP20803494A EP4062472A1 EP 4062472 A1 EP4062472 A1 EP 4062472A1 EP 20803494 A EP20803494 A EP 20803494A EP 4062472 A1 EP4062472 A1 EP 4062472A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion layer
fiber material
property
gradient
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP20803494.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP4062472B1 (en
Inventor
Achim Bock
Kristof Klein
Christoph Rakousky
Hannes BARSCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Freudenberg KG filed Critical Carl Freudenberg KG
Priority to EP23211343.1A priority Critical patent/EP4303968A3/en
Publication of EP4062472A1 publication Critical patent/EP4062472A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP4062472B1 publication Critical patent/EP4062472B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234Carbonaceous material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807Gas diffusion layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241Composites
    • H01M8/0245Composites in the form of layered or coated products
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a gas diffusion layer for fuel cells, fuel cells containing them and the use of such a gas diffusion layer.
  • Fuel cells use the chemical conversion of a fuel, in particular hydrogen, with oxygen to form water in order to generate electrical energy.
  • hydrogen-oxygen fuel cells hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where electrochemical oxidation takes place with the release of electrons (H. 2 H + + 2 e). Via a membrane, which the
  • reaction spaces are separated from one another in a gas-tight manner and electrically insulated, the protons are transported from the anode space into the cathode space.
  • the electrons provided at the anode are fed to the cathode via an external conductor circuit.
  • Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, with a reduction of the oxygen taking place with the absorption of the electrons.
  • the oxygen anions formed react with the protons transported across the membrane to form water (1/2 O + 2 H + + 2 e ⁇
  • PEMFC proton exchange membrane fuel cells
  • polymer electrolyte membrane fuel cells are used, which achieve efficiencies of up to 60%.
  • the core of the PEMFC is a polymer electrolyte membrane (PEM) which is only permeable to protons (or oxonium ions FhO + ) and water and which spatially separates the oxidizing agent, generally atmospheric oxygen, from the reducing agent.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • FhO + oxonium ions
  • humidified membranes are usually used.
  • a catalyst layer is applied to the gas-tight, electrically insulating, proton-conducting membrane on the anode and cathode side, which forms the electrodes and which usually contains platinum as the catalytically active metal. The actual redox reactions and charge separations take place in the catalyst layers.
  • the membrane and catalyst layers form a unit, which is also referred to as a CCM (catalyst coated membrane).
  • CCM catalyst coated membrane
  • GDL gas diffusion layer
  • the membrane, electrodes and gas diffusion layer form the membrane electrode assembly (MEA).
  • the EP 2228857 A1 describes a membrane electrode unit for high-temperature fuel cells which comprises a gas diffusion electrode which has at least two gas diffusion layers which contain polytetrafluoroethylene, the gas diffusion layers having different polytetrafluoroethylene concentrations.
  • the GDE thus has a PTFE concentration gradient in
  • a flow distributor plate is arranged on each side of the MEA, which has channels for supplying the process gases to the electrodes and, as a rule, additional internal cooling channels for dissipating the heat.
  • fuel cells generally do not consist of individual cells, but of a large number of membrane-electrode units arranged in a stack, which are connected in series and whose electrical powers add up. Between two
  • Membrane-electrode units then usually only one flow distributor plate (a so-called bipolar plate) is arranged.
  • This bipolar plate is structured on the front side and on the rear side and each has channels for supplying the cathode adjoining on one side and the anode adjoining on the other side with process gases and, as a rule, additional internal cooling channels.
  • the flow distributor plates, or bipolar plates consist of an electrically conductive material to establish the electrical connection between the stacked
  • the main task of the flow distributor plates is the uniform supply of the MEA with reaction gases and the removal of the reaction products, ie in the case of the hydrogen-oxygen fuel cell the water formed during the cathode reaction.
  • the flow distributor plates have a channel structure that is open on one side between the inlet and outlet, the so-called flow field.
  • the flow field is used for the macroscopic distribution of the reaction gases to the adjacent GDL, which takes over the microscopic distribution to the catalytically active areas of the membrane.
  • the flow field also serves to transport the gaseous and liquid product water away.
  • the flow field is formed by bars and channels, the arrangement of which forms a characteristic design.
  • Usual web widths and channel widths are each in a range of about 0.2 to 1.5 mm.
  • the PEMFC currently uses four main flow field designs: parallel flow field with straight channels, meander flow field, interdigitated flow field with interrupted channels and the post flow field.
  • constant condensate discharge is an important criterion when designing the flowfield.
  • Convective mass transport dominates within the flow field due to the pressure difference between the inflow and outflow of the flow field.
  • the anode and cathode differ in their requirements with regard to the supply of process gases and the discharge of reaction products. On the anode side, the supplied hydrogen is essentially converted into protons, which migrate through the membrane to the cathode.
  • the electrons formed and used up in the half-cell reactions must be conducted to the flow distributor plates with as little voltage loss as possible. This is achieved through the use of highly conductive materials.
  • the heat generated during the reaction must be dissipated to the coolant in the flow distributor plates, so that the materials of the GDL must also have sufficient thermal conductivity.
  • the GDL must also act as a mechanical compensation between the macrostructured flow distributor plate and the catalyst layers Act. To do this, component tolerances must be compensated and the compression pressure distributed. It also serves as mechanical protection for the very thin membranes that are exposed to high loads in the fuel cells.
  • GDL typically consist of a carbon fiber substrate, which is usually made hydrophobic with fluoropolymers (e.g. PTFE).
  • fluoropolymers e.g. PTFE
  • the GDL are generally coated over a large area with a microporous layer (MPL).
  • MPL usually consists of a fluorine-containing polymer as a binder (e.g. PTFE) and a porous and electrically conductive carbon material (e.g. carbon black or graphite powder). While the pores in the fiber substrate of the GDL usually have a diameter of 10 to 30 m ⁇ ti, the pore diameter in the MPL is usually in a range from 0.05 to 1 m ⁇ ti.
  • the MPL creates a transition from the macropores of the substrate to the micropores of the electrode.
  • the following three materials are currently used as carbon fiber substrates for the GDL: B. Yarns made of oxidized but not yet carbonized polyacrylonitrile fibers are used, which are carbonized or graphitized after weaving.
  • Carbon fiber papers For production, z. B. PAN fibers carbonized, shredded into fiber fragments, dissolved and carried out analogously to paper production Sieben (laid paper) made a fiber scrim. To stabilize the paper, binders, e.g. B. phenolic resins are used.
  • Carbon fiber nonwovens Dry laid, carded and hydroentangled nonwovens made of oxidized polyacrylonitrile can be used for production, which are then calibrated for thickness and carbonized.
  • a conductive nonwoven fabric and its manufacture are e.g. B. described in WO 02/31841 A2.
  • the GDL known from the prior art consist of layers and substructures that are as homogeneous as possible. Neither the fiber structures nor the hydrophobic finish and the MPL coating have so far had any specifically generated property gradients.
  • a bipolar plate is used for this, which is divided into three areas, comprising two distributor areas and one active area.
  • a first distribution area is used to supply operating media to the active area of the bipolar plate, and a second distribution area is used to discharge the operating media from the active area.
  • the bipolar plate has channels which connect the main operating equipment ports of both distributor areas with one another.
  • the distributor areas have at least one intersection section in which the channels do not intersect in a fluid-connecting manner.
  • the cathode gas main port is arranged in such a way that cathode channels proceeding from it run in a straight line over at least the distributor area of the fuel cell, and that in a first intersection section anode channels and cathode channels proceeding from the anode gas main port intersect and enclose an angle that is greater than 0 ° and less than 90 ° is.
  • the fuel cells described in WO 2015150533 are also in need of improvement with regard to their properties.
  • DE 102005022484 A1 describes a gas diffusion layer which has at least two functional areas that are operatively connected to one another, the first area having a porous structure and the second area being designed as a stabilization zone. It is described quite generally and without the support of an exemplary embodiment that the GDL can have a progressive structure, for example in the form of a gradient.
  • the GDL can consist of a consist of uniform material, which is characterized in terms of its flexural strength, its tensile modulus or other unspecified mechanical properties by gradients in different spatial directions.
  • this document does not describe the fact that the GDL is coated with an MPL which has a continuous or abrupt property gradient in the xy plane and this gradient changes monotonically as a function of the location (ie either always increases or always decreases, whereby it can also remain constant in partial areas but has no local minima or maxima).
  • US 2010/0255407 A1 describes an electrode for a fuel cell which comprises a gas diffusion layer, a catalyst layer and a water-repellent material at the interface between gas diffusion layer and catalyst layer.
  • a PEM fuel cell with a phosphoric acid-soaked electrolyte membrane.
  • the water-repellent material is intended to prevent the phosphoric acid from blocking an even flow of oxygen into the catalyst layer. It has a continuous concentration gradient in a first direction, which extends away from the gas diffusion layer (ie in the z-direction) and a discontinuous concentration gradient in a second direction, perpendicular to the first direction (ie in the x, y-plane).
  • the water-repellent material between GDL and catalyst layer is an essential feature of the electrode described, although this does not correspond to the MPL, which can also be present. It is also of critical importance that the water-repellent material has a discontinuous gradient in the direction of the surface at the interface between GDL and catalyst layer.
  • the water-repellent material can, for example, be placed on the GDL be arranged, wherein the points have a radial concentration gradient in the direction of the surface.
  • This document also does not describe coating a GDL with an MPL which has a continuous or abrupt, monotonous property gradient in the x, y plane.
  • CN 110112425 describes a PEM fuel cell with a gas diffusion layer which has a hydrophobization of the fiber material along the flow channels with a gradient in the main gas flow direction between inlet and outlet.
  • PTFE is preferably used for water repellency.
  • the fiber material itself is hydrophobized. This document does not describe the use of a GDL which has an MPL as an additional layer which has a monotonous property gradient in the x, y plane.
  • the present invention is based on the object of reducing or avoiding the disadvantages that result from the gradients with regard to the chemical composition and / or the operating parameters between the supply and discharge of the operating media.
  • the fuel cells provided should be particularly characterized by the smallest possible fluctuations in the current density over the active surface.
  • this object is achieved by a gas diffusion layer for fuel cells, which in turn has at least one property gradient, as a result of which the distribution of the operating media through the GDL is improved.
  • a gas diffusion layer for fuel cells which in turn has at least one property gradient, as a result of which the distribution of the operating media through the GDL is improved.
  • a first object of the invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a) a flat, electrically conductive fiber material and b) a microporous layer on one of the surfaces of the fiber material, the gas diffusion layer in relation to its base area (in the x, y plane) at least has a property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property.
  • At least the microporous layer has at least one property gradient.
  • Another object of the invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer b) on one of the surfaces of the fiber material, the microporous layer in relation to the base area of the Gas diffusion layer (in the x, y plane) has at least one property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property, in which i) a flat, electrically conductive fiber material a) is provided, ii) the fiber material provided in step i) with a precursor coated to form a microporous layer, the composition of the precursor being varied during the coating to produce a gradient, iii) subjecting the coated fiber material obtained in step ii) to a thermal aftertreatment.
  • Another subject matter of the invention is a fuel cell which comprises at least one gas diffusion layer, as defined above and below.
  • Another object of the invention is the use of a gas diffusion layer, as defined above and below, for the production of fuel cells with reduced fluctuations in the current density over the electrode surfaces, especially on the cathode side.
  • the fuel cells according to the invention have the following advantages: Due to the at least one property gradient that the gas diffusion layers according to the invention have, the properties of the GDL can be specifically adapted to the operating conditions of the respective fuel half cell.
  • the GDL is characterized by improved properties with regard to the distribution of the operating materials.
  • the GDL manages to control various transport processes independently of one another. For example, the transport of liquid water and gaseous water can be set separately.
  • the oxygen transport through the GDL to the cathode can also be controlled in a targeted manner.
  • the gas diffusion layers according to the invention can be produced simply and inexpensively.
  • GDL Gas diffusion layer
  • the GDL used according to the invention is a sheet-like structure which has an essentially two-dimensional, planar extent and, in contrast, a smaller thickness.
  • the gas diffusion layer according to the invention has a base area which as a rule essentially corresponds to the base area of the adjoining membrane with the catalyst layers and the base area of the adjoining flow distributor plate.
  • the shape of the base area of the gas diffusion layer can, for example, be polygonal (n-angular with n> 3, e.g. triangular, square, pentagonal, hexagonal, etc.), circular, circular segment-shaped (e.g. semicircular), elliptical or elliptical segment-shaped.
  • the base area is preferably rectangular or circular.
  • an orthogonal coordinate system is used to describe the GDL, the base area of the GDL lying in the plane spanned by the x-axis and the y-axis (also referred to as the x, y-plane).
  • the orthogonal z-axis is used to describe the material thickness.
  • the x-axis is also described as the roll direction (machine direction, MD) and the y-axis as the counter-roll direction (cross machine direction, CMD).
  • MD machine direction
  • CMD cross machine direction
  • the gas diffusion layer has at least one property gradient with regard to at least one chemical and / or physical property. That is to say, at least one property of the gas diffusion layer depends on the location.
  • the property gradient can extend over one, two or all three spatial directions. It can each extend over the full length extension in one spatial direction or over a specific section.
  • the change in properties can be abrupt (i.e. the gas diffusion layer according to the invention has a heterogeneity with respect to at least one property) or it can be continuous (i.e. that according to the invention
  • Gas diffusion layer has an inhomogeneity with regard to at least one property).
  • a sudden change in properties generally has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 steps with regard to the property exhibiting the gradient.
  • Both the flat fiber material a), as the microporous layer b), as well as both, can have the at least one property gradient.
  • At least the microporous layer preferably has at least one property gradient.
  • At least the cathode-side gas diffusion layers of the fuel cells according to the invention preferably have an MPL which has a property gradient in relation to the base area (in the x, y plane) of the GDL. It has been found that by using an MPL which has a property gradient in relation to the base area (in the x, y plane) of the GDL, a more uniform current density distribution of the fuel cell can be achieved. In a special embodiment, only the microporous layer has one or more property gradients.
  • the gas diffusion layer i.e. the flat fiber material a) and / or the microporous layer b)
  • the gas diffusion layer preferably has at least one property gradient which is
  • a monotonic change in property is understood to mean that the function value which represents the change in property either always increases or always falls when the value for the location coordinate increases. It is permitted that the function value, which represents the change in properties, remains the same in the course of the location coordinate even over a sub-area or over several sub-areas. However, he has no local
  • the gas diffusion layer ie only the flat fiber material a) or only the microporous layer b) or the flat fiber material a) and the microporous layer b)
  • the gas diffusion layer preferably only has property gradients which change monotonically depending on the location.
  • At least the microporous layer b) preferably has at least one property gradient which changes monotonically as a function of the location.
  • only the microporous layer has at least one property gradient which changes monotonically as a function of the location.
  • the microporous layer only has property gradients which change monotonically as a function of the location. More specifically, the microporous layer has only a single property gradient and this one property gradient changes monotonically as a function of the location.
  • the gas diffusion layer comprises as component a) at least one electrically conductive flat fiber material.
  • Component a) preferably comprises a fiber material which is selected from nonwovens, papers, woven fabrics and combinations thereof.
  • Suitable substrate materials are fiber materials which are themselves conductive or which are made conductive by adding conductive additives such as carbon or metal particles.
  • carbon fibers, glass fibers, fibers of organic polymers such as polypropylene, polyester, polyphenylene sulfide, polyether ketones and mixtures thereof are suitable as substrate material.
  • the fibers contained in the fiber material a) comprise or consist preferably of carbon fibers (carbon fibers, carbon fibers).
  • Such fiber materials particularly advantageously meet the requirements placed on the GDL for gas diffusivity, liquid water permeability, electrical and thermal conductivity.
  • the carbon fibers can be produced in the usual way, with polyacrylonitrile fibers (PAN fibers) preferably being used as the starting material.
  • PAN fibers polyacrylonitrile fibers
  • PAN fibers are produced by radical polymerization of a monomer composition which preferably contains at least 90% by weight, based on the total weight of the monomers used for the polymerization, of acrylonitrile.
  • the polymer solution obtained is, for. B. by wet spinning and coagulation, spun into filaments and combined into ropes.
  • this PAN precursor is converted to carbon fibers at high temperatures, it is usually subjected to an oxidative cyclization (also referred to as oxidation) in an oxygen-containing atmosphere at elevated temperatures of around 180 to 300 ° C.
  • the resulting chemical crosslinking improves the dimensional stability of the fibers.
  • the actual pyrolysis to carbon fibers then takes place at temperatures of at least 1200 ° C.
  • Carbonization refers to a treatment at around 1200 to 1500 ° C under an inert gas atmosphere, which leads to the elimination of volatile products.
  • So-called high-modulus or graphite fibers are obtained through graphitization, ie heating to around 2000 to 3000 ° C under inert gas. These fibers have a high degree of purity, are light, very strong and very good conductive for electricity and heat.
  • the fiber material a) is preferably selected from carbon fiber fabrics, carbon fiber papers and carbon fiber nonwovens.
  • the flat fiber material is produced by crossing two thread systems, warp (warp threads) and weft (weft threads).
  • warp threads warp threads
  • weft threads weft threads
  • fiber bundles are flexibly but inextricably linked.
  • oxidized, but not yet carbonized or graphitized PAN fibers are preferably used.
  • the carbonization or graphitization in order to give the flat fiber material electrical conductivity, takes place after weaving.
  • oxidized PAN fibers are generally used to produce carbon fiber papers. These are comminuted into fiber fragments in a manner known per se, slurried and, analogously to paper production, a fiber scrim is produced by sieving (laid paper) and dried.
  • at least one binding agent is additionally introduced into the paper. Suitable binders are e.g. B. phenolic, furan, polyimide resins, etc.
  • the paper can be impregnated with this and the binder can then be hardened if necessary. After impregnation and hardening, the carbon fiber paper is once again subjected to carbonization / graphitization in order to convert the binder into compounds with improved electrical conductivity.
  • a filled carbon fiber paper is used to provide the fiber material a). Fiering is initially carried out as described above, but instead of introducing a binding agent and carbonizing / graphitizing a filler made of a carbon material in a polymeric binder, the still moist paper is introduced. A carbon-PTFE filler is used specifically for this purpose. Through this Filling, the thermal and electrical conductivity is increased so that carbonization / graphitization can be omitted.
  • Non-oxidized or oxidized PAN fibers can be used to manufacture carbon fiber nonwovens. In a first step, these can be laid dry to form a pile (carded) and then consolidated into a fleece. This can be done, for example, by water-jet entangling (hydro-entangling), with the carbon fibers being oriented, interlaced and thus mechanically stabilized. If necessary, the thickness of the bonded nonwoven fabric can be calibrated to a desired value.
  • Nonwovens based on non-oxidized PAN fibers are first subjected to oxidation at elevated temperature and under an oxygen atmosphere and then to carbonization / graphitization under an inert gas atmosphere after the nonwoven fabric has been laid and solidified.
  • Nonwovens based on oxidized PAN fibers are only subjected to carbonization / graphitization after the laying and consolidation of the nonwoven.
  • at least one binding agent can additionally be introduced into the fleece and this can then be hardened if necessary.
  • Suitable binders are those mentioned for carbon fiber papers, especially phenolic resins.
  • the introduction of the binder can be, for. B. connect to the carbonization / graphitization and the impregnated fleece obtained are finally carbonized / graphitized again.
  • the flat, electrically conductive fiber material a) comprises at least one carbon fiber nonwoven.
  • the fiber material a) is generally a fiber composite material comprising: a1) carbon fibers, a2) optionally at least one polymeric binder and / or a pyrolysis product thereof, a3) optionally at least one further additive different from a2).
  • the fiber materials a) contained in the gas diffusion layer can contain conventional additives a3). These are preferably selected from flydrophobizing agents, conductivity-improving additives, surface-active substances and mixtures thereof.
  • Suitable hydrophobizing agents are fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers
  • the hydrophobizing agent used is preferably PTFE.
  • the fiber material can be finished with the water repellent by customary impregnation processes. For this purpose, a PTFE dispersion can be applied in an immersion bath, the solvent evaporated and the treated fiber material sintered at elevated temperatures of generally at least 300.degree.
  • the fiber material a) preferably has a content of water repellants of 3 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a).
  • the fiber material has a PTFE content of 3 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a).
  • the fiber material a) can be equipped with at least one conductivity-improving additive.
  • Suitable conductivity-improving additives are, for. B. metal particles, carbon particles, etc.
  • the conductivity-improving additive is preferably selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers and mixtures thereof.
  • the fiber material a) can be provided with at least one conductivity-improving additive, for example, together with the water repellent, especially a PTFE dispersion. In many cases, the fiber material a) has good electrical and thermal conductivity due to the carbon fibers used, even without conductivity-improving additives.
  • the fiber material a) preferably has a content of conductivity-improving additives of 0 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a). If the fiber material a) contains a conductivity-improving additive, then preferably in an amount from 0.1 to 40% by weight, particularly preferably from 0.5 to 30% by weight, based on the total weight of the fiber material a).
  • the fiber material a) preferably has a thickness in the range from 50 to 500 ⁇ m, particularly preferably from 100 to 400 ⁇ m. This thickness refers to the uncompressed state of the fiber material a), ie before the GDL is installed in a fuel cell.
  • the mean pore diameter of the fiber material a) is preferably in a range from 5 to 60 ⁇ m, particularly preferably from 8 to 50 ⁇ m, in particular from 10 to 40 ⁇ m.
  • the mean pore diameter can be determined using mercury porosimetry.
  • the gas diffusion layer according to the invention consists of a two-layer composite layer based on a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer (MPL) b) on one of the surfaces of the fiber material a).
  • MPL microporous layer
  • the MPL is microporous with pore diameters that are generally well below one micrometer, preferably of at most 900 nm, particularly preferably at most 500 nm, in particular of at most 300 nm.
  • the mean pore diameter of the M PL b) is preferably in a range from 5 to 200 nm, particularly preferably from 10 to 100 nm.
  • the mean pore diameter can in turn be determined by mercury porosimetry.
  • the mean pore diameter is then z. B. greater than 1 pm.
  • the pore diameter can have a bimodal or polymodal distribution curve.
  • a distribution of the pore diameter with two pore peaks can be obtained.
  • the MPL contains conductive carbon particles, preferably carbon black or graphite, in a matrix made of a polymeric binder.
  • Preferred binders are the aforementioned fluorine-containing polymers, especially polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the microporous layer b) preferably has a thickness in the range from 10 to 100 ⁇ m, particularly preferably from 20 to 50 ⁇ m. This thickness relates to the uncompressed state of the microporous layer b), i. H. before installing the GDL in a fuel cell.
  • the presence of the MPL has a major influence on the water balance of the fuel cell. Due to the high PTFE content and the smaller pores of the MPL, the flooding of the GDL and the electrode is made more difficult because the MPL as Liquid water barrier acts and thus promotes the mass transport of the gaseous reactants to the catalyst. It has been shown that it can be advantageous if, in the gas diffusion layer according to the invention, the microporous layer has a property gradient in relation to its base area (in the x, y plane) of the GDL.
  • the gas diffusion layer according to the invention preferably has a thickness (total thickness of fiber material a) and MPL b)) in the range from 80 to 1000 ⁇ m, particularly preferably from 100 to 500 ⁇ m. This thickness refers to the uncompressed state of the GDL; H. before installing them in a fuel cell.
  • the gas diffusion layers preferably have a high overall porosity. This is preferably in the range from 20% to 80%, determined, as described above, by helium density measurement and mercury porosimetry.
  • both the flat fiber material a) and the microporous layer b), as well as both, can have at least one property gradient.
  • the property exhibiting the gradient is in principle selected from the chemical composition of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the mechanical properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the transport properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b),
  • the chemical properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient include, for. B. the content of water repellants, carbon particles, etc. This includes especially the content of PTFE, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT),
  • Carbon nanofibers and mixtures thereof are Carbon nanofibers and mixtures thereof.
  • the mechanical properties of the sheet-like fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient, include, for. B. the density, the mass per unit area, the porosity and the mean pore diameter.
  • the density in g / m 3 can be determined by measuring the helium density, as described above.
  • the mass per unit area in g / m 2 can be determined according to ISO 9073-1 or
  • the porosity of the GDL can be measured using various known measurement methods, such as B. mercury porosimetry or nitrogen BET method can be determined.
  • the compression behavior of the microporous layer can be provided with a gradient by varying its composition with respect to at least one of its materials. This also changes the connection to the electrode.
  • a gradient in the mechanical properties can be created by creating a gradient across the width of the material during web consolidation by water jets. This influences mechanical properties and water transport.
  • the transport properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient, include: the gas permeability of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the liquid permeability of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the electrical volume resistance of the gas diffusion layer through the material plane, the thermal volume resistance of the gas diffusion layer through the material plane, the dry diffusion length.
  • the gas permeability perpendicular to the plane of the material can be determined via a Gurley measurement, for which an automated Gurley densometer from Gurley Precision Instruments can be used.
  • the time is determined in seconds until 100 cm 3 of air has flowed vertically through the GDL sample with a sample area of 6.42 cm 2 flowing through it at a constant pressure difference.
  • the determination of the Gurley air permeability is described in ISO 5636-5.
  • the measurement of the gas permeability in l / m 2 s can also be carried out according to DIN EN ISO 9237: 1995-12 to determine the air permeability of textile fabrics.
  • the permeability for liquids, especially for liquid water, perpendicular to the plane of the material can be determined with a so-called “filtration cell” or according to the "Penn State” method [see references ac ]: [a] IS Hussaini and CY Wang, “Measurement of relative permeability of fuel cell diffusion media,” Journal of Power Sources, vol. 195, pp. 3830-3840, 2010; [b] J.D. Sole, "Investigation of water transport parameters and processes in the gas diffusion layer of PEMFCs," Virginia Polytechnic Institute, 2008;
  • Two known test methods can be used to determine the thermal resistance through the plane (through plane, TP), the heat flow method or the laser flash method.
  • the dry diffusion length describes the actual length of the distance that a gas molecule travels through the flat fiber material a) and / or the microporous layer b) in m ⁇ ti. It is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.
  • the microporous layer has at least one property gradient with regard to at least one chemical and / or physical property.
  • the MPL has the at least one property gradient with respect to its base area, i. H. in plan view or in the x, y plane. If necessary, the MPL can also have a property gradient perpendicular to its base area, i. H. in the direction of the z-axis.
  • the microporous layer preferably has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4, specifically at least 5, more specifically at least 6 discrete areas which differ in at least one property.
  • the change in properties between the areas is abrupt.
  • the individual areas can all differ with regard to the same property or (in the case of several different properties) the same properties. This is preferred. However, it is also possible that two or more areas differ with regard to different properties.
  • the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4, especially at least 5, more especially at least 6 discrete areas which all differ with regard to one and the same property.
  • each individual area is essentially homogeneous with regard to its properties.
  • essentially homogeneous is understood to mean that within a range only those property fluctuations occur as they also occur (e.g. due to production) if a gradient is not consciously created.
  • the microporous layer has at least one continuous property gradient.
  • the microporous layer preferably has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips which differ in at least one property.
  • the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips, which all differ with regard to one and the same property.
  • each individual strip is essentially homogeneous with regard to its properties.
  • the property of the microporous layer is preferably selected from Gurley gas permeability and dry diffusion length.
  • Another object of the invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer b) on one of the surfaces of the fiber material, the microporous layer in relation to the base area of the gas diffusion layer ( in the x, y plane) has at least one property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property, in which i) a flat, electrically conductive fiber material a) is provided, ii) the fiber material provided in step i) with a precursor for formation coated a microporous layer, the composition of the precursor being varied during the coating to produce a gradient, iii) subjecting the coated fiber material obtained in step ii) to a thermal aftertreatment.
  • the precursors used in step b) preferably contain at least one fluorine-containing polymer, at least one carbon material and, if appropriate, at least one pore former.
  • the fluorine-containing polymers are preferably selected from polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP). PTFE is preferred.
  • the carbon material is preferably selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers and mixtures thereof. Carbon black or graphite is preferably used.
  • the precursors used in step b) contain at least one pore former.
  • Suitable pore formers are commercially available plastic particles, e.g. B. made of polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • a suitable particle size is in the range from 10 to 100 m ⁇ ti.
  • the proportion by volume of the pores in the finished microporous layer which can be attributed to the use of a pore former is preferably from 0 to 70% by volume, based on the total volume of the pores in the finished microporous layer.
  • the fiber material a) is preferably coated with at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips of precursors of different composition to form a microporous layer.
  • Orders from the MPL can be carried out in various ways. While spray, screen printing or Meyer Rod processes are often used in discontinuous production, squeegee, slot nozzle and engraved roller processes are preferred for continuous coating.
  • the MPL layer thickness and the penetration depth can be determined by the Coating process parameters and the viscosity of the coating can be influenced.
  • Another subject matter of the invention is a fuel cell comprising at least one gas diffusion layer as defined above or obtainable by a method as defined above.
  • the gas diffusion layer according to the invention is suitable for all conventional fuel cell types, especially low-temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Reference is made in full to the statements made above on the structure of fuel cells.
  • PEMFC low-temperature proton exchange membrane fuel cells
  • the transport processes through the gas diffusion layer can be specifically adapted to the gradients of the operating media flowing through the fuel cell and / or the operating parameters of the fuel cell.
  • at least one property gradient of the gas diffusion layer generally corresponds to at least one of the property gradients of the operating media flowing through the fuel cell and / or the operating parameters of the
  • FIG. 1 shows the top view of a GDL material, the production of which is described in Example 1.
  • a fiber fleece in DIN A3 format 29.7 x 42 cm, where md denotes the machine direction
  • 4 laterally adjacent strips with 4 different MPL pastes (paste 1 to 4) each 7 to 8 cm wide were placed in the longitudinal direction applied.
  • Gas diffusion layers in the format 274.8 x 96.5 mm were punched out of the dried and sintered material with the long side transverse to the machine direction.
  • Figure 1 shows 3 alternative punching positions (GDL 1 to 3).
  • the GDL obtained have a property gradient in the direction of the x-axis, GDL 1 having 4 strips each with different properties and GDL 2 and 3 each having 3 strips with different properties.
  • Figure 2 shows the current density distribution determined according to Example 2 at the cathode of a membrane electrode unit according to the invention with an MPL that has a property gradient (circles) and a membrane electrode unit not according to the invention without property gradients (squares).
  • Example 1 Production of a gas diffusion layer with a property gradient in the x-direction
  • PTFE various carbons and plastic particles were dispersed as pore-forming agents in distilled water and applied to the fiber fleece by knife coating. The leaves were then dried at 160.degree. C. and sintered at 400.degree. The resulting MPL loadings were 15 to 22 g / m 2, depending on the strip.
  • the GDL are installed in such a way that the x-direction (long side) lies in the direction of the direct connection between the supply and discharge of the operating materials to the flow distributor plate.
  • the long side of the GDL is parallel to the gas channels.
  • the supplied O 2 -rich fuel on the cathode side (air side) of the fuel cell first comes into contact with the MPL formed by paste 1 and the discharged 0 2- poor fuel with the MPL formed by paste 4.
  • a membrane electrode unit (MEA) according to the invention was used, the cathode of which was based on a gas diffusion layer (GDL), the microporous layer (MPL) of which had a property gradient in the longitudinal direction of the fiber fleece made of 4 laterally adjacent one another Had stripes (GDL 1 from Example 1).
  • GDL gas diffusion layer
  • MPL microporous layer
  • the MPL paste 4 from Example 1 was used to produce it.
  • An MEA was used for comparison, the anode and cathode of which had a GDL not according to the invention (without property gradient) analogous to the anode of the MEA according to the invention.
  • the MEA was supplied with hydrogen and oxygen at a pressure of 1.5 bar each, the relative humidity (RH) of both gases before entry into the measuring arrangement was 95% and the operating temperature of the fuel cell was 74 ° C (coolant temperature on Outlet of the cathode).
  • the excess Hydrogen supply I A was 1.2 and the amount of excess O2 lo was 2.0.
  • the current density distribution at the cathode was determined at an average value of the tapped current density of 1.8 A / cm 2 with a matrix of measuring points, which had 22 measuring locations in the course of the main flow direction of the gas between cathode inlet and cathode outlet and 9 measuring locations perpendicular to the main flow direction of the gas (ie 198 measuring points in total).
  • Figure 2 shows the current density distribution determined at the cathode of the MEA according to the invention (curve with circular symbols) and not according to the invention (curve with square symbols).
  • the curves show the mean values over the 9 measuring locations perpendicular to the main flow direction of the gas. It can be seen that the GDL according to the invention has a more uniform current density distribution than the comparison GDL.

Abstract

The invention relates to a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a) a flat, electrically conductive fiber material and b) a microporous layer on one of the surfaces of the fiber material, wherein the gas diffusion layer has, with respect to its base area (on the x-, y-plane), at least one property gradient relating to at least one chemical and/or physical property. The invention also relates to a method for producing such a gas diffusion layer, to a fuel cell which contains said diffusion layer, and to the use of the diffusion layer.

Description

Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen Gas diffusion layer for fuel cells
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen, Brennstoffzellen, die diese enthalten und die Verwendung einer solchen Gasdiffusionslage. The present invention relates to a gas diffusion layer for fuel cells, fuel cells containing them and the use of such a gas diffusion layer.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. In Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H 2 H+ + 2 e ). Über eine Membran, welche dieFuel cells use the chemical conversion of a fuel, in particular hydrogen, with oxygen to form water in order to generate electrical energy. In hydrogen-oxygen fuel cells, hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where electrochemical oxidation takes place with the release of electrons (H. 2 H + + 2 e). Via a membrane, which the
Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über einen äußeren Leiterkreis der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, wobei eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Die dabei gebildeten Sauerstoffanionen reagieren mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (1/2 O + 2 H+ + 2 e ^ Für viele Anwendungen, speziell im automobilen Antriebsstrang, werden Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, proton exchange membrane fuel cells, auch als polymer electrolyte membrane fuel cells bezeichnet) eingesetzt, die Wirkungsgrade von bis zu 60 % erzielen. Das Kernstück der PEMFC ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM), die nur für Protonen (bzw. Oxoniumionen FhO+) und Wasser durchlässig ist und das Oxidationsmittel, im Allgemeinen Luftsauerstoff, räumlich vom Reduktionsmittel trennt. Um einen möglichst guten Protonentransport über die Membran zu gewährleisten, werden in der Regel befeuchtete Membranen eingesetzt. Auf die gasdichte, elektrisch isolierende, protonenleitende Membran ist auf der Anoden- und Kathodenseite eine Katalysatorschicht aufgebracht, die die Elektroden ausbildet und die in der Regel Platin als katalytisch aktives Metall enthält. In den Katalysatorschichten laufen die eigentlichen Redoxreaktionen und Ladungstrennungen ab. An sie werden besondere Anforderungen gestellt, da sie gleichzeitig elektronen- und protonenleitfähig sein müssen und zusätzlich die Zuführung der Reaktionsgase und Abführung des bei der Kathodenreaktion gebildeten Wassers ermöglichen müssen. Membran und Katalysatorschichten bilden eine Einheit, die auch als CCM (catalyst coated membrane) bezeichnet wird. Auf beiden Seiten der CCM befindet sich eine Gasdiffusionslage (GDL), die den Zellaufbau stabilisiert und Transport- und Verteilerfunktionen für Reaktionsgase, Wasser, Wärme und Strom übernimmt. Membran, Elektroden und Gasdiffusionslage bilden die Membran-Elektroden-Einheit (MEA, membrane electrode assembly). If reaction spaces are separated from one another in a gas-tight manner and electrically insulated, the protons are transported from the anode space into the cathode space. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an external conductor circuit. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, with a reduction of the oxygen taking place with the absorption of the electrons. The oxygen anions formed react with the protons transported across the membrane to form water (1/2 O + 2 H + + 2 e ^ For many applications, especially in the automotive drive train, low-temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFC, proton exchange membrane fuel cells, also known as polymer electrolyte membrane fuel cells) are used, which achieve efficiencies of up to 60%. The core of the PEMFC is a polymer electrolyte membrane (PEM) which is only permeable to protons (or oxonium ions FhO + ) and water and which spatially separates the oxidizing agent, generally atmospheric oxygen, from the reducing agent. In order to ensure the best possible proton transport across the membrane, humidified membranes are usually used. A catalyst layer is applied to the gas-tight, electrically insulating, proton-conducting membrane on the anode and cathode side, which forms the electrodes and which usually contains platinum as the catalytically active metal. The actual redox reactions and charge separations take place in the catalyst layers. Special requirements are placed on them because they must be electron and proton conductive at the same time and must also allow the supply of the reaction gases and discharge of the water formed during the cathode reaction. The membrane and catalyst layers form a unit, which is also referred to as a CCM (catalyst coated membrane). On both sides of the CCM there is a gas diffusion layer (GDL) that stabilizes the cell structure and takes on the transport and distribution functions for reaction gases, water, heat and electricity. The membrane, electrodes and gas diffusion layer form the membrane electrode assembly (MEA).
Eine Alternative zur CCM ist die Gasdiffusionselektrode (GDE), wobei das Elektrodenmaterial nicht auf die Membran, sondern auf die GDL aufgetragen wird. Die EP 2228857 A1 beschreibt eine Membran-Elektrodeneinheit für Hochtemperatur- Brennstoffzellen, die eine Gasdiffusionselektrode umfasst, die mindestens zwei Gasdiffusionsschichten aufweist, die Polytetrafluorethylen enthalten, wobei die Gasdiffusionsschichten unterschiedliche Polytetrafluorethylen-Konzentrationen aufweisen. Die GDE weist somit einen PTFE-Konzentrationsgradienten inAn alternative to the CCM is the gas diffusion electrode (GDE), whereby the electrode material is not applied to the membrane but to the GDL. The EP 2228857 A1 describes a membrane electrode unit for high-temperature fuel cells which comprises a gas diffusion electrode which has at least two gas diffusion layers which contain polytetrafluoroethylene, the gas diffusion layers having different polytetrafluoroethylene concentrations. The GDE thus has a PTFE concentration gradient in
Durchtrittrichtung der Betriebsmedien, d. h. bezüglich ihrer Dicke bzw. senkrecht zur Grundfläche (d. h. in Richtung der z-Achse), auf. Direction of passage of the operating media, d. H. with respect to their thickness or perpendicular to the base (i.e. in the direction of the z-axis).
In Einzelzellen, die nur eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit aufweisen, ist auf jeder Seite der MEA eine Strömungsverteilerplatte angeordnet, die Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu den Elektroden und in der Regel zusätzlich innenliegende Kühlkanäle zur Abführung der Wärme aufweist. Brennstoffzellen bestehen jedoch in der Regel nicht aus Einzelzellen, sondern aus einer Vielzahl von in einem Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten, die in Reihe geschaltet sind und deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zweiIn single cells, which only have a single membrane-electrode unit, a flow distributor plate is arranged on each side of the MEA, which has channels for supplying the process gases to the electrodes and, as a rule, additional internal cooling channels for dissipating the heat. However, fuel cells generally do not consist of individual cells, but of a large number of membrane-electrode units arranged in a stack, which are connected in series and whose electrical powers add up. Between two
Membran-Elektroden-Einheiten ist dann in der Regel nur eine Strömungsverteilerplatte (eine sogenannte Bipolarplatte) angeordnet. Diese Bipolarplatte ist auf der Vorderseite und auf der Rückseite strukturiert und weist jeweils Kanäle zur Versorgung der auf der einen Seite angrenzenden Kathode und der auf der anderen Seite angrenzenden Anode mit Prozessgasen sowie in der Regel zusätzlich innenliegende Kühlkanäle auf. Die Strömungsverteilerplatten, bzw. Bipolarplatten, bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung zwischen den gestapeltenMembrane-electrode units then usually only one flow distributor plate (a so-called bipolar plate) is arranged. This bipolar plate is structured on the front side and on the rear side and each has channels for supplying the cathode adjoining on one side and the anode adjoining on the other side with process gases and, as a rule, additional internal cooling channels. The flow distributor plates, or bipolar plates, consist of an electrically conductive material to establish the electrical connection between the stacked
Membran-Elektroden-Einheiten herzustellen. Die Hauptaufgabe der Strömungsverteilerplatten ist die gleichmäßige Versorgung der MEA mit Reaktionsgasen und der Abtransport der Reaktionsprodukte, d. h. bei der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle des bei der Kathodenreaktion gebildeten Wassers. Dazu weisen die Strömungsverteilerplatten zwischen Zuführung und Abführung eine einseitig offene Kanalstruktur auf, das sogenannte Flowfield. Das Flowfield dient der makroskopischen Verteilung der Reaktionsgase an die angrenzende GDL, welche die mikroskopische Verteilung auf die katalytisch aktiven Bereiche der Membran übernimmt. Das Flowfield dient weiterhin dem Abtransport des gasförmigen und des flüssigen Produktwassers. Das Flowfield wird gebildet von Stegen und Kanälen, deren Anordnung ein charakteristisches Design bilden. Übliche Stegbreiten und Kanalbreiten liegen jeweils in einem Bereich von etwa 0,2 bis 1,5 mm. Bei der PEMFC werden aktuell hauptsächlich vier Flowfield Designs verwendet: Parallel-Flowfield mit geraden Kanälen, Mäander Flowfield, Interdigitated Flowfield mit unterbrochenen Kanälen und das Pföstchen-Flowfield. Bei der Auslegung des Flowfields ist neben der Prozessgasversorgung ein stetiger Kondensataustrag ein wichtiges Kriterium. Innerhalb des Flowfields dominiert der konvektive Stofftransport aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Zu- und Abfluss des Flowfields. Anode und Kathode unterscheiden sich in ihren Anforderungen bezüglich Zuführung von Prozessgasen und Abführung von Reaktionsprodukten. So wird auf Seiten der Anode der zugeführte Wasserstoff im Wesentlichen in Protonen umgewandelt, die durch die Membran zur Kathode wandern. Bei der Anodenreaktion wird kein Prozesswasser gebildet, es kann jedoch Wasser von der Kathode durch die Membran zur Anode gelangen. Auf der Seite der Kathode werden durch die Reduktionsreaktion signifikante Wassermengen gebildet, die über die Kanalstruktur der Strömungsverteilerplatten ausgetragen werden müssen. Die Strömungsverteilerplatten für die Kathode und die Anode, bzw. die beiden Seiten einer Bipolarplatte, weisen somit in der Regel unterschiedliche Flowfields auf. Manufacture membrane-electrode assemblies. The main task of the flow distributor plates is the uniform supply of the MEA with reaction gases and the removal of the reaction products, ie in the case of the hydrogen-oxygen fuel cell the water formed during the cathode reaction. For this purpose, the flow distributor plates have a channel structure that is open on one side between the inlet and outlet, the so-called flow field. The flow field is used for the macroscopic distribution of the reaction gases to the adjacent GDL, which takes over the microscopic distribution to the catalytically active areas of the membrane. The flow field also serves to transport the gaseous and liquid product water away. The flow field is formed by bars and channels, the arrangement of which forms a characteristic design. Usual web widths and channel widths are each in a range of about 0.2 to 1.5 mm. The PEMFC currently uses four main flow field designs: parallel flow field with straight channels, meander flow field, interdigitated flow field with interrupted channels and the post flow field. In addition to the process gas supply, constant condensate discharge is an important criterion when designing the flowfield. Convective mass transport dominates within the flow field due to the pressure difference between the inflow and outflow of the flow field. The anode and cathode differ in their requirements with regard to the supply of process gases and the discharge of reaction products. On the anode side, the supplied hydrogen is essentially converted into protons, which migrate through the membrane to the cathode. No process water is formed during the anode reaction, but water can get from the cathode through the membrane to the anode. On the cathode side, the reduction reaction forms significant amounts of water that have to be discharged via the channel structure of the flow distributor plates. The flow distribution plates for the cathode and the The anode, or the two sides of a bipolar plate, therefore usually have different flow fields.
Zwischen den Strömungsverteilerplatten, bzw. den Bipolarplatten, und den Katalysatorschichten befinden sich jeweils Gasdiffusionslagen, denen eine wesentliche Bedeutung für die Funktion und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zukommt: Between the flow distributor plates or the bipolar plates and the catalyst layers there are gas diffusion layers, which are of major importance for the function and performance of the fuel cell:
Alle in den Elektrodenreaktionen verbrauchten und entstehenden Prozesskomponenten müssen durch die Gasdiffusionslage transportiert und von der makroskopischen Struktur der Strömungsverteilerplatten/Bipolarplatten auf die mikroskopische Struktur der Katalysatorschichten homogen verteilt werden. Dazu zählt der Transport von Wasserstoff zur Anode und von Sauerstoff zur Kathode sowie von gasförmigem und flüssigem Wasser von der Anode in die Strömungskanäle der Strömungsverteilerplatten/Bipolarplatten. Dabei darf einerseits der Gastransport nicht durch übermäßige Flutung der Poren behindert werden, andererseits die MEA nicht austrocknen. All process components consumed and created in the electrode reactions must be transported through the gas diffusion layer and homogeneously distributed from the macroscopic structure of the flow distributor plates / bipolar plates to the microscopic structure of the catalyst layers. This includes the transport of hydrogen to the anode and oxygen to the cathode as well as gaseous and liquid water from the anode into the flow channels of the flow distributor plates / bipolar plates. On the one hand, the gas transport must not be hindered by excessive flooding of the pores and, on the other hand, the MEA must not dry out.
Die in den Halbzellenreaktionen gebildeten und verbrauchten Elektronen müssen mit möglichst geringem Spannungsverlust zu den Strömungsverteilerplatten geleitet werden. Dies wird erreicht durch die Verwendung hoch leitfähiger Materialien. The electrons formed and used up in the half-cell reactions must be conducted to the flow distributor plates with as little voltage loss as possible. This is achieved through the use of highly conductive materials.
Die bei der Reaktion gebildete Wärme muss zum Kühlmittel in den Strömungsverteilerplatten abgeführt werden, so dass die Materialien der GDL auch über ausreichende Wärmeleitfähigkeit verfügen müssen. The heat generated during the reaction must be dissipated to the coolant in the flow distributor plates, so that the materials of the GDL must also have sufficient thermal conductivity.
Zudem muss die GDL auch als mechanischer Ausgleich zwischen der makrostrukturierten Strömungsverteilerplatte und den Katalysatorschichten wirken. Dazu müssen Bauteiltoleranzen ausgeglichen und der Kompressionsdruck verteilt werden. Sie dient auch als mechanischer Schutz der sehr dünnen Membranen, die in den Brennstoffzellen hohen Lasten ausgesetzt sind. In addition, the GDL must also act as a mechanical compensation between the macrostructured flow distributor plate and the catalyst layers Act. To do this, component tolerances must be compensated and the compression pressure distributed. It also serves as mechanical protection for the very thin membranes that are exposed to high loads in the fuel cells.
Aufgrund der geforderten Eigenschaften bestehen GDL typischerweise aus einem Kohlefaser-Substrat, welches üblicherweise mit Fluor-Polymeren (z. B. PTFE) hydrophob ausgerüstet ist. Zur Optimierung der Transporteigenschaften von Gas und flüssigem Wasser sind die GDL im Allgemeinen mit einer mikroporösen Lage (MPL) flächig beschichtet. Die MPL besteht in der Regel aus einem fluorhaltigen Polymer als Binder (z. B. PTFE) sowie einem porösen und elektrisch leitfähigen Kohlenstoffmaterial (z. B. Ruß oder Graphit-Pulver). Während die Poren im Fasersubstrat der GDL üblicherweise Durchmesser von 10 bis 30 mΐti aufweisen, liegen die Porendurchmesser in der MPL üblicherweise in einem Bereich von 0,05 bis 1 mΐti. Da die Porengröße der Elektrode im Bereich von 10 bis 100 nm liegt, wird somit durch die MPL ein Übergang von den Makroporen des Substrats zu den Mikroporen der Elektrode geschaffen. Als Kohlefaser-Substrate für die GDL werden aktuell die drei folgenden Materialien eingesetzt: - Kohlefaser-Gewebe: Zur Herstellung werden z. B. Garne aus oxidierten, aber noch nicht karbonisierten Polyacrylnitril-Fasern eingesetzt, die nach dem Weben karbonisiert bzw. graphitisiert werden. Due to the required properties, GDL typically consist of a carbon fiber substrate, which is usually made hydrophobic with fluoropolymers (e.g. PTFE). In order to optimize the transport properties of gas and liquid water, the GDL are generally coated over a large area with a microporous layer (MPL). The MPL usually consists of a fluorine-containing polymer as a binder (e.g. PTFE) and a porous and electrically conductive carbon material (e.g. carbon black or graphite powder). While the pores in the fiber substrate of the GDL usually have a diameter of 10 to 30 mΐti, the pore diameter in the MPL is usually in a range from 0.05 to 1 mΐti. Since the pore size of the electrode is in the range from 10 to 100 nm, the MPL creates a transition from the macropores of the substrate to the micropores of the electrode. The following three materials are currently used as carbon fiber substrates for the GDL: B. Yarns made of oxidized but not yet carbonized polyacrylonitrile fibers are used, which are carbonized or graphitized after weaving.
Kohlefaser-Papiere: Zur Herstellung werden z. B. PAN-Fasern karbonisiert, zu Faserbruchstücken zerkleinert, gelöst und analog zur Papierherstellung durch Sieben (Bütten) ein Fasergelege hergestellt. Zur Stabilisierung des Papiers werden Bindemittel, z. B. Phenolharze, eingesetzt. Carbon fiber papers: For production, z. B. PAN fibers carbonized, shredded into fiber fragments, dissolved and carried out analogously to paper production Sieben (laid paper) made a fiber scrim. To stabilize the paper, binders, e.g. B. phenolic resins are used.
Kohlefaser-Vliesstoffe: Zur Herstellung können trocken gelegte, kardierte und Wasserstrahl-verfestigte Vliesstoffe aus oxidiertem Polyacrylnitril eingesetzt werden, die anschließend dickenkalibriert und karbonisiert werden. Ein leitfähiger Vliesstoff und seine Herstellung sind z. B. in der WO 02/31841 A2 beschrieben. Carbon fiber nonwovens: Dry laid, carded and hydroentangled nonwovens made of oxidized polyacrylonitrile can be used for production, which are then calibrated for thickness and carbonized. A conductive nonwoven fabric and its manufacture are e.g. B. described in WO 02/31841 A2.
Die aus dem Stand der Technik bekannten GDL bestehen aus möglichst homogenen Schichten und Teilstrukturen. Sowohl die Faserstrukturen als auch die hydrophobe Ausrüstung und die MPL-Beschichtung weisen bislang keine gezielt erzeugten Eigenschaftsgradienten auf. The GDL known from the prior art consist of layers and substructures that are as homogeneous as possible. Neither the fiber structures nor the hydrophobic finish and the MPL coating have so far had any specifically generated property gradients.
Es ist weiterhin ein Problem beim Betrieb von Brennstoffzellen, dass zwischen der Zuführung der Prozessgase zum Flowfield der Strömungsverteilerplatte und der Abführung der Reaktionsprodukte aus dem Flowfield große Unterschiede bezüglich der chemischen Zusammensetzung der strömenden Betriebsmedien (Sauerstoffgehalt, Wasserstoffgehalt, Gehalt an Wasser insgesamt) und der Betriebsparameter (Temperatur, Druck, Gehalt an gasförmigem und flüssigem Wasser) auftreten. Viele dieser Parameter weisen einen Gradienten sowohl bezogen auf den konkreten, durch das Flowfield-Design vorgegebenen Strömungsverlauf, als auch bezogen auf die direkte Verbindung zwischen Zuführung und Abführung der Betriebsstoffe auf. Diese Gradienten setzen sich in der GDL bis zu den Elektroden fort. Sie haben einen großen Einfluss auf die Leistung der Brennstoffzelle, da sie zu einem Gradienten der Stromdichteverteilung zwischen dem Eingang und Ausgang der jeweiligen Elektrode führen. Leistungsbestimmend sind dabei vor allem die Gradienten auf der Kathodenseite (Luftseite) einer Brennstoffzelle, wobei auch auf der Anodenseite Gradienten bei der Wasserstoffverteilung sowie ein Durchtritt von Wasser durch die Membran und eine damit verbundene Gradientenbildung auftreten kann. Im Folgenden wird diese Gradientenbildung für die Situation an der Kathode erläutert: Another problem in the operation of fuel cells is that there are large differences in the chemical composition of the flowing operating media (oxygen content, hydrogen content, total water content) and the operating parameters between the supply of process gases to the flow field of the flow distributor plate and the removal of the reaction products from the flow field (Temperature, pressure, content of gaseous and liquid water) occur. Many of these parameters have a gradient both in relation to the specific flow course specified by the flowfield design and in relation to the direct connection between the supply and discharge of the operating materials. These gradients continue in the GDL up to the electrodes. They have a major influence on the performance of the fuel cell, as they lead to a gradient in the current density distribution between the input and output of the respective electrode. Above all, the gradients on the are decisive for performance Cathode side (air side) of a fuel cell, whereby gradients in the hydrogen distribution as well as passage of water through the membrane and a gradient formation associated therewith can also occur on the anode side. This gradient formation is explained below for the situation at the cathode:
Kathoden-Eingang: Cathode input:
02-Konzentration = maximal 02-Druck = maximal Temperatur = minimal Feuchtegehalt Gas = minimal 0 2 concentration = maximum 0 2 pressure = maximum temperature = minimum moisture content gas = minimum
Menge Flüssigwasser kumuliert = minimal Cumulative amount of liquid water = minimal
Kathoden-Ausgang: Cathode output:
02-Konzentration = minimal 02-Druck = minimal Temperatur = maximal Feuchtegehalt Gas = maximal Menge Flüssigwasser kumuliert = maximal Es wurden bereits Versuche unternommen, die Bildung derartiger Gradienten beim Betrieb der Brennstoffzelle zu reduzieren. Ein Ansatz liegt in der Ausgestaltung der Strömungsverteilerplatten/Bipolarplatten. So wurde versucht, über das Design des Flowfields (z. B. Cross- vs. Counterflow der Anoden- und Kathodengase) die Gradientenbildung zu minimieren. Die WO 2015150533 beschreibt eine Bipolarplatte für Brennstoffzellen, deren hydraulischer Querschnitt dahingehend optimiert ist, dass der Druckverlust der Betriebsmedien reduziert wird und eine möglichst homogene Druckverteilung der Betriebsmedien über die Fläche realisiert wird. Dazu wird eine Bipolarplatte eingesetzt, die in drei Bereiche unterteilt ist, umfassend zwei Verteilerbereiche und einen aktiven Bereich. Ein erster Verteilerbereich dient dabei der Zuleitung von Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte, ein zweiter Verteilerbereich der Ableitung der Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich. Zudem weist die Bipolarplatte Kanäle auf, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche miteinander verbinden. Ferner weisen die Verteilerbereiche zumindest einen Überschneidungsabschnitt auf, in dem die Kanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Der Kathodengashauptport ist derart angeordnet, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle geradlinig über zumindest den Verteilerbereich der Brennstoffzelle verlaufen, und dass in einem ersten Überschneidungsabschnitt vom Anodengashauptport ausgehende Anodenkanäle und die Kathodenkanäle einander überschneiden und einen Winkel einschließen, der größer als 0° und kleiner als 90° ist. Auch die in der WO 2015150533 beschriebenen Brennstoffzellen sind bezüglich ihrer Eigenschaften noch verbesserungswürdig. 0 2 concentration = minimum 0 2 pressure = minimum temperature = maximum moisture content gas = maximum amount of liquid water accumulated = maximum Attempts have already been made to reduce the formation of such gradients when the fuel cell is operating. One approach lies in the design of the flow distributor plates / bipolar plates. An attempt was made to minimize the gradient formation through the design of the flow field (e.g. cross-flow vs. counter-flow of the anode and cathode gases). WO 2015150533 describes a bipolar plate for fuel cells, the hydraulic cross-section of which is optimized in such a way that the pressure loss of the operating media is reduced and the pressure distribution of the operating media over the surface is as homogeneous as possible. A bipolar plate is used for this, which is divided into three areas, comprising two distributor areas and one active area. A first distribution area is used to supply operating media to the active area of the bipolar plate, and a second distribution area is used to discharge the operating media from the active area. In addition, the bipolar plate has channels which connect the main operating equipment ports of both distributor areas with one another. Furthermore, the distributor areas have at least one intersection section in which the channels do not intersect in a fluid-connecting manner. The cathode gas main port is arranged in such a way that cathode channels proceeding from it run in a straight line over at least the distributor area of the fuel cell, and that in a first intersection section anode channels and cathode channels proceeding from the anode gas main port intersect and enclose an angle that is greater than 0 ° and less than 90 ° is. The fuel cells described in WO 2015150533 are also in need of improvement with regard to their properties.
Die DE 102005022484 A1 beschreibt eine Gasdiffusionsschicht, die mindestens zwei miteinander wirkverbundene funktionelle Bereiche aufweist, wobei der erste Bereich eine poröse Struktur aufweist und der zweite Bereich als Stabilisierungszone ausgestaltet ist. Es ist ganz allgemein und ohne Stützung durch ein Ausführungsbeispiel beschrieben, dass die GDL einen progressiven Aufbau, z.B. in Form eines Gradienten, aufweisen kann. Beispielsweise kann die GDL aus einem einheitlichen Material bestehen, welches in Bezug auf seine Biegesteifigkeit, sein Zugmodul oder andere nicht näher angegebene mechanische Eigenschaften durch Gradienten in unterschiedlichen Raumrichtungen charakterisiert ist. In diesem Dokument ist insbesondere nicht beschrieben, dass die GDL mit einer MPL beschichtet ist, welche einen kontinuierlichen oder sprunghaften Eigenschaftsgradienten in der x-y- Ebene aufweist und dieser Gradient sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändert (d.h. entweder immer wächst oder immer fällt, wobei er in Teilbereichen auch konstant bleiben kann aber keine lokalen Minima oder Maxima aufweist). DE 102005022484 A1 describes a gas diffusion layer which has at least two functional areas that are operatively connected to one another, the first area having a porous structure and the second area being designed as a stabilization zone. It is described quite generally and without the support of an exemplary embodiment that the GDL can have a progressive structure, for example in the form of a gradient. For example, the GDL can consist of a consist of uniform material, which is characterized in terms of its flexural strength, its tensile modulus or other unspecified mechanical properties by gradients in different spatial directions. In particular, this document does not describe the fact that the GDL is coated with an MPL which has a continuous or abrupt property gradient in the xy plane and this gradient changes monotonically as a function of the location (ie either always increases or always decreases, whereby it can also remain constant in partial areas but has no local minima or maxima).
Die US 2010/0255407 A1 beschreibt eine Elektrode für eine Brennstoffzelle, die eine Gasdiffusionslage, eine Katalysatorschicht und ein wasserabweisendes Material an der Grenzfläche zwischen Gasdiffusionslage und Katalysatorschicht umfasst. Konkret handelt es sich um eine spezielle Ausführung einer PEM-Brennstoffzelle mit einer Phosphorsäure-getränkten Elektrolytmembran. Das wasserabweisende Material soll verhindern, dass die Phosphorsäure einen gleichmäßigen Sauerstoffstrom in die Katalysatorschicht blockiert. Es weist einen kontinuierlichen Konzentrationsgradienten in einer ersten Richtung auf, der sich von der Gasdiffusionslage weg erstreckt (d.h. in z-Richtung) und einen diskontinuierlichen Konzentrationsgradienten in einer zweiten Richtung, senkrecht zur ersten Richtung (d.h. in derx,y-Ebene). Das wasserabweisende Material zwischen GDL und Katalysatorschicht ist ein wesentliches Merkmal der beschriebenen Elektrode, wobei dieses nicht der MPL entspricht, die noch zusätzlich vorhanden sein kann. Es ist zudem von kritischer Bedeutung, dass das wasserabweisende Material einen diskontinuierlichen Gradienten in Richtung der Oberfläche an der Grenzfläche zwischen GDL und Katalysatorschicht aufweist. Dazu kann das wasserabweisende Material beispielsweise punktförmig auf der GDL angeordnet sein, wobei die Punkte einen radialen Konzentrationsgradienten in Richtung der Oberfläche aufweisen. Auch in diesem Dokument ist nicht beschrieben, eine GDL mit einer MPL zu beschichten, welche einen kontinuierlichen oder sprunghaften, monotonen Eigenschaftsgradienten in der x,y-Ebene aufweist. US 2010/0255407 A1 describes an electrode for a fuel cell which comprises a gas diffusion layer, a catalyst layer and a water-repellent material at the interface between gas diffusion layer and catalyst layer. Specifically, it is a special version of a PEM fuel cell with a phosphoric acid-soaked electrolyte membrane. The water-repellent material is intended to prevent the phosphoric acid from blocking an even flow of oxygen into the catalyst layer. It has a continuous concentration gradient in a first direction, which extends away from the gas diffusion layer (ie in the z-direction) and a discontinuous concentration gradient in a second direction, perpendicular to the first direction (ie in the x, y-plane). The water-repellent material between GDL and catalyst layer is an essential feature of the electrode described, although this does not correspond to the MPL, which can also be present. It is also of critical importance that the water-repellent material has a discontinuous gradient in the direction of the surface at the interface between GDL and catalyst layer. For this purpose, the water-repellent material can, for example, be placed on the GDL be arranged, wherein the points have a radial concentration gradient in the direction of the surface. This document also does not describe coating a GDL with an MPL which has a continuous or abrupt, monotonous property gradient in the x, y plane.
Die CN 110112425 beschreibt eine PEM-Brennstoffzelle mit einer Gasdiffusionslage, die eine Hydrophobierung des Fasermaterials entlang der Strömungskanäle mit einem Gradienten in der Haupt-Gasstromrichtung zwischen Einlass und Auslass aufweist. Zur Hydrophobierung wird bevorzugt PTFE eingesetzt. Dabei wird das Fasermaterial selbst hydrophobiert. In diesem Dokument ist nicht beschrieben, eine GDL einzusetzen, die eine MPL als zusätzliche Schicht aufweist, welche einen monotonen Eigenschaftsgradienten in der x,y-Ebene aufweist. CN 110112425 describes a PEM fuel cell with a gas diffusion layer which has a hydrophobization of the fiber material along the flow channels with a gradient in the main gas flow direction between inlet and outlet. PTFE is preferably used for water repellency. The fiber material itself is hydrophobized. This document does not describe the use of a GDL which has an MPL as an additional layer which has a monotonous property gradient in the x, y plane.
Aktuell besteht ein Bedarf an PEM-Brennstoffzellen, die hinsichtlich des beschriebenen komplexen Eigenschaftsprofils verbessert sind. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile, die aus den Gradienten bezüglich der chemischen Zusammensetzung und/oder der Betriebsparameter zwischen der Zuführung und Abführung der Betriebsmedien resultieren, zu vermindern bzw. zu vermeiden. Die bereit gestellten Brennstoffzellen sollen sich dabei speziell durch möglichst geringe Schwankungen der Stromdichte über die aktive Fläche auszeichnen. There is currently a need for PEM fuel cells which are improved with regard to the complex property profile described. The present invention is based on the object of reducing or avoiding the disadvantages that result from the gradients with regard to the chemical composition and / or the operating parameters between the supply and discharge of the operating media. The fuel cells provided should be particularly characterized by the smallest possible fluctuations in the current density over the active surface.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe von einer Gasdiffusionslage für Brennstoffzellen gelöst wird, die ihrerseits wenigstens einen Eigenschaftsgradienten aufweist, wodurch die Verteilung der Betriebsmedien durch die GDL verbessert wird. Durch gezieltes Anpassen der GDL-Eigenschaften an die Gradienten der Betriebsmedien, wie sie von den Umgebungsbedingungen der Halbzellreaktionen vorgegeben werden, lässt sich die Leistung der Brennstoffzelle signifikant steigern. Insbesondere können die Schwankungen der Stromdichte über die aktive Fläche verringert werden. Surprisingly, it has now been found that this object is achieved by a gas diffusion layer for fuel cells, which in turn has at least one property gradient, as a result of which the distribution of the operating media through the GDL is improved. By specifically adapting the GDL properties to the Gradients of the operating media, as specified by the ambient conditions of the half-cell reactions, can significantly increase the performance of the fuel cell. In particular, the fluctuations in the current density over the active area can be reduced.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Ein erster Gegenstand der Erfindung ist eine Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, umfassend a) ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial und b) eine mikroporöse Lage auf einer der Flächen des Fasermaterials, wobei die Gasdiffusionslage in Bezug auf ihre Grundfläche (in derx,y-Ebene) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft aufweist. A first object of the invention is a gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a) a flat, electrically conductive fiber material and b) a microporous layer on one of the surfaces of the fiber material, the gas diffusion layer in relation to its base area (in the x, y plane) at least has a property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest die mikroporöse Lage wenigstens einen Eigenschaftsgradienten auf. In a preferred embodiment, at least the microporous layer has at least one property gradient.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial a) und eine mikroporöse Lage b) auf einer der Flächen des Fasermaterials umfasst, wobei die mikroporöse Lage in Bezug auf die Grundfläche der Gasdiffusionslage (in der x,y-Ebene) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft aufweist, bei dem man i) ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial a) bereitstellt, ii) das in Schritt i) bereitgestellte Fasermaterial mit einem Precursor zur Ausbildung einer mikroporösen Lage beschichtet, wobei die Zusammensetzung des Precursors während des Beschichtens zur Erzeugung eines Gradienten variiert wird, iii) das in Schritt ii) erhaltene beschichtete Fasermaterial einer thermischen Nachbehandlung unterzieht. Another object of the invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer b) on one of the surfaces of the fiber material, the microporous layer in relation to the base area of the Gas diffusion layer (in the x, y plane) has at least one property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property, in which i) a flat, electrically conductive fiber material a) is provided, ii) the fiber material provided in step i) with a precursor coated to form a microporous layer, the composition of the precursor being varied during the coating to produce a gradient, iii) subjecting the coated fiber material obtained in step ii) to a thermal aftertreatment.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die wenigstens eine Gasdiffusionslage, wie zuvor und im Folgenden definiert, umfasst. Another subject matter of the invention is a fuel cell which comprises at least one gas diffusion layer, as defined above and below.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Gasdiffusionslage, wie zuvor und im Folgenden definiert, zur Herstellung von Brennstoffzellen mit verringerter Schwankung der Stromdichte über die Elektrodenflächen, speziell auf der Kathodenseite. Another object of the invention is the use of a gas diffusion layer, as defined above and below, for the production of fuel cells with reduced fluctuations in the current density over the electrode surfaces, especially on the cathode side.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen haben folgende Vorteile: Durch den wenigstens einen Eigenschaftsgradienten, den die erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen aufweisen, können die Eigenschaften der GDL gezielt an die Betriebsbedingungen der jeweiligen Brennstoffhalbzelle angepasst werden. Die GDL zeichnet sich durch verbesserte Eigenschaften bezüglich der Verteilung der Betriebsstoffe aus. Speziell gelingt es, verschiedene Transportprozesse durch die GDL unabhängig voneinander zu steuern. So kann beispielsweise der Transport von flüssigem Wasser und von gasförmigem Wasser separat eingestellt werden. Auch der Sauerstofftransport durch die GDL zur Kathode lässt sich gezielt steuern. The fuel cells according to the invention have the following advantages: Due to the at least one property gradient that the gas diffusion layers according to the invention have, the properties of the GDL can be specifically adapted to the operating conditions of the respective fuel half cell. The GDL is characterized by improved properties with regard to the distribution of the operating materials. In particular, the GDL manages to control various transport processes independently of one another. For example, the transport of liquid water and gaseous water can be set separately. The oxygen transport through the GDL to the cathode can also be controlled in a targeted manner.
Die erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen lassen sich einfach und kostengünstig hersteilen. The gas diffusion layers according to the invention can be produced simply and inexpensively.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslagen können in den resultierenden Brennstoffzellen Schwankungen der Stromdichte über die aktive Fläche verringert werden. By using the gas diffusion layers according to the invention, fluctuations in the current density over the active surface can be reduced in the resulting fuel cells.
Gasdiffusionslage (GDL) Gas diffusion layer (GDL)
Bei der erfindungsgemäß eingesetzten GDL handelt es sich um ein flächenförmiges Gebilde, das über eine im Wesentlichen zweidimensionale, ebene Ausdehnung und eine demgegenüber geringere Dicke verfügt. Die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage weist eine Grundfläche auf, die in der Regel im Wesentlichen der Grundfläche der angrenzenden Membran mit den Katalysatorschichten und der Grundfläche der angrenzenden Strömungsverteilerplatte entspricht. Die Form der Grundfläche der Gasdiffusionslage kann beispielsweise polygonal (n-eckig mit n > 3, z. B. dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig, etc.), kreisförmig, kreissegmentförmig (z. B. halbkreisförmig), ellipsenförmig oder ellipsensegmentförmig sein. Bevorzugt ist die Grundfläche rechteckig oder kreisförmig. Im Rahmen der Erfindung wird zur Beschreibung der GDL ein orthogonales Koordinatensystem verwendet, wobei die Grundfläche der GDL in der von der x-Achse und der y-Achse aufgespannten Ebene (auch als x,y-Ebene bezeichnet) liegt. Die dazu orthogonale z-Achse dient zur Beschreibung der Materialdicke. Gemäß der für Faserverbundmaterialien üblichen Beschreibung werden die x-Achse auch als Rollenrichtung (machine direction, MD) und die y-Achse als Gegenrollenrichtung (cross machine direction, CMD) beschrieben. In Richtung der z-Achse erfolgt im Wesentlichen der Stofftransport zwischen Strömungsverteilerplatte und Membran. The GDL used according to the invention is a sheet-like structure which has an essentially two-dimensional, planar extent and, in contrast, a smaller thickness. The gas diffusion layer according to the invention has a base area which as a rule essentially corresponds to the base area of the adjoining membrane with the catalyst layers and the base area of the adjoining flow distributor plate. The shape of the base area of the gas diffusion layer can, for example, be polygonal (n-angular with n> 3, e.g. triangular, square, pentagonal, hexagonal, etc.), circular, circular segment-shaped (e.g. semicircular), elliptical or elliptical segment-shaped. The base area is preferably rectangular or circular. In the context of the invention, an orthogonal coordinate system is used to describe the GDL, the base area of the GDL lying in the plane spanned by the x-axis and the y-axis (also referred to as the x, y-plane). The orthogonal z-axis is used to describe the material thickness. According to the usual description for fiber composite materials, the x-axis is also described as the roll direction (machine direction, MD) and the y-axis as the counter-roll direction (cross machine direction, CMD). In the direction of the z-axis, the substance is essentially transported between the flow distributor plate and the membrane.
Die Gasdiffusionslage weist erfindungsgemäß wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft auf. Das heißt, wenigstens eine Eigenschaft der Gasdiffusionslage ist vom Ort abhängig. Der Eigenschaftsgradient kann sich über eine, zwei oder alle drei Raumrichtungen erstrecken. Er kann sich jeweils über die vollständige Längenausdehnung in einer Raumrichtung oder einen bestimmten Abschnitt erstrecken. Die Eigenschaftsänderung kann sprunghaft sein (d. h. die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage weist eine Heterogenität bezüglich wenigstens einer Eigenschaft auf) oder kontinuierlich sein (d. h. die erfindungsgemäßeAccording to the invention, the gas diffusion layer has at least one property gradient with regard to at least one chemical and / or physical property. That is to say, at least one property of the gas diffusion layer depends on the location. The property gradient can extend over one, two or all three spatial directions. It can each extend over the full length extension in one spatial direction or over a specific section. The change in properties can be abrupt (i.e. the gas diffusion layer according to the invention has a heterogeneity with respect to at least one property) or it can be continuous (i.e. that according to the invention
Gasdiffusionslage weist eine Inhomogenität bezüglich wenigstens einer Eigenschaft auf). Eine sprunghafte Eigenschaftsänderung weist in der Regel wenigstens 2, bevorzugt wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 Stufen hinsichtlich der den Gradienten aufweisenden Eigenschaft auf. Sowohl das flächige Fasermaterial a), als auch die mikroporöse Lage b), als auch beide können den wenigstens einen Eigenschaftsgradienten aufweisen. Gas diffusion layer has an inhomogeneity with regard to at least one property). A sudden change in properties generally has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 steps with regard to the property exhibiting the gradient. Both the flat fiber material a), as the microporous layer b), as well as both, can have the at least one property gradient.
Bevorzugt weist zumindest die mikroporöse Lage wenigstens einen Eigenschaftsgradienten auf. Bevorzugt weisen zumindest die kathodenseitigen Gasdiffusionslagen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen eine MPL auf, die in Bezug auf die Grundfläche (in der x,y-Ebene) der GDL einen Eigenschaftsgradienten aufweist. Es wurde gefunden, dass durch den Einsatz einer MPL, die in Bezug auf die Grundfläche (in derx,y-Ebene) der GDL einen Eigenschaftsgradienten aufweist, eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung der Brennstoffzelle erzielt werden kann. In einer speziellen Ausführungsform weist ausschließlich die mikroporöse Lage einen oder mehrere Eigenschaftsgradienten auf. At least the microporous layer preferably has at least one property gradient. At least the cathode-side gas diffusion layers of the fuel cells according to the invention preferably have an MPL which has a property gradient in relation to the base area (in the x, y plane) of the GDL. It has been found that by using an MPL which has a property gradient in relation to the base area (in the x, y plane) of the GDL, a more uniform current density distribution of the fuel cell can be achieved. In a special embodiment, only the microporous layer has one or more property gradients.
Bevorzugt weist die Gasdiffusionslage (d.h. das flächige Fasermaterial a) und/oder die mikroporöse Lage b)) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten auf, der sich inThe gas diffusion layer (i.e. the flat fiber material a) and / or the microporous layer b)) preferably has at least one property gradient which is
Abhängigkeit vom Ort monoton ändert. Unter einer monotonen Eigenschaftsänderung wird verstanden, dass der Funktionswert, der die Eigenschaftsänderung repräsentiert entweder immer wächst oder immer fällt, wenn der Wert für die Ortskoordinate zunimmt. Dabei ist es zugelassen, dass der Funktionswert, der die Eigenschaftsänderung repräsentiert, im Verlauf der Ortskoordinate auch über einen Teilbereich oder über mehrere Teilbereiche gleich bleibt. Er weist jedoch keine lokalenMonotonically changes depending on the location. A monotonic change in property is understood to mean that the function value which represents the change in property either always increases or always falls when the value for the location coordinate increases. It is permitted that the function value, which represents the change in properties, remains the same in the course of the location coordinate even over a sub-area or over several sub-areas. However, he has no local
Minima oder Maxima auf. Bevorzugt weist die Gasdiffusionslage (d.h. nur das flächige Fasermaterial a) oder nur die mikroporöse Lage b) oder das flächige Fasermaterial a) und die mikroporöse Lage b)) nur Eigenschaftsgradienten auf, die sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändern. Minima or maxima. The gas diffusion layer (ie only the flat fiber material a) or only the microporous layer b) or the flat fiber material a) and the microporous layer b)) preferably only has property gradients which change monotonically depending on the location.
Bevorzugt weist zumindest die mikroporöse Lage b) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten auf, der sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändert. In einer speziellen Ausführungsform weist ausschließlich die mikroporöse Lage wenigstens einen Eigenschaftsgradienten auf, der sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändert. In einer weiteren speziellen Ausführungsform weist die mikroporöse Lage ausschließlich Eigenschaftsgradienten auf, die sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändern. Spezieller weist die mikroporöse Lage nur einen einzigen Eigenschaftsgradienten auf und ändert sich dieser eine Eigenschaftsgradient in Abhängigkeit vom Ort monoton. At least the microporous layer b) preferably has at least one property gradient which changes monotonically as a function of the location. In a special embodiment, only the microporous layer has at least one property gradient which changes monotonically as a function of the location. In a further special embodiment, the microporous layer only has property gradients which change monotonically as a function of the location. More specifically, the microporous layer has only a single property gradient and this one property gradient changes monotonically as a function of the location.
Die Gasdiffusionslage umfasst als Komponente a) wenigstens ein elektrisch leitfähiges flächiges Fasermaterial. Bevorzugt umfasst die Komponente a) ein Fasermaterial, das ausgewählt ist unter Vliesen, Papieren, Geweben und Kombinationen davon. The gas diffusion layer comprises as component a) at least one electrically conductive flat fiber material. Component a) preferably comprises a fiber material which is selected from nonwovens, papers, woven fabrics and combinations thereof.
Geeignete Substratmaterialen sind Fasermaterialen, die selbst leitfähig sind oder durch Zugabe leitfähiger Additive, wie Kohlenstoff- oder Metall parti kel, leitfähig gemacht werden. Als Substratmaterial eignen sich prinzipiell Kohlenstofffasern, Glasfasern, Fasern organischer Polymere, wie Polypropylen, Polyester, Polyphenylensulfid, Polyetherketonen, und Mischungen davon. Die in dem Fasermaterial a) enthaltenen Fasern umfassen oder bestehen vorzugsweise aus Kohlenstofffasern (Kohlefasern, Carbonfasern). Solche Fasermaterialien erfüllen besonders vorteilhaft die Anforderung an die GDL nach Gasdiffusivität, Flüssigwasserpermeabilität, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Die Herstellung der Kohlenstofffasern kann in üblicher Weise erfolgen, wobei als Ausgangsmaterial vorzugsweise Polyacrylnitril-Fasern (PAN-Fasern) eingesetzt werden. PAN-Fasern werden hergestellt durch radikalische Polymerisation einer Monomerzusammensetzung, die vorzugsweise wenigstens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zur Polymerisation eingesetzten Monomere, Acrylnitril enthält. Die erhaltene Polymerlösung wird, z. B. durch Nassspinnen und Koagulation, zu Filamenten versponnen und zu Tauen zusammengefasst. Bevor dieser PAN-Precursor unter hohen Temperaturen zu Kohlenstoffasern umgewandelt wird, wird er in der Regel in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen von etwa 180 bis 300 °C einer oxidativen Cyclisierung (auch kurz als Oxidation bezeichnet) unterzogen. Durch die dabei resultierende chemische Vernetzung wird die Formstabilität der Fasern verbessert. Anschließend erfolgt bei Temperaturen von wenigstens 1200 °C die eigentliche Pyrolyse zu Kohlenstofffasern. Für diese Pyrolyse können in Abhängigkeit von der Form des angestrebten Fasermaterials entweder die Ausgangsfasern oder bereits ein flächiges Fasermaterial eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der Temperatur bei der Pyrolyse unterscheidet man zwischen Carbonisierung und Graphitisierung. Carbonisierung bezeichnet eine Behandlung bei etwa 1200 bis 1500 °C unter Inertgasatmosphäre, die zur Abspaltung flüchtiger Produkte führt. Durch Graphitisierung, d. h. Erhitzen auf etwa 2000 bis 3000 °C unter Inertgas, erhält man so genannte Hochmodul- oder Graphitfasern. Diese Fasern verfügen über eine hohe Reinheit, sind leicht, hoch fest und sehr gut leitfähig für Elektrizität und Wärme. Suitable substrate materials are fiber materials which are themselves conductive or which are made conductive by adding conductive additives such as carbon or metal particles. In principle, carbon fibers, glass fibers, fibers of organic polymers such as polypropylene, polyester, polyphenylene sulfide, polyether ketones and mixtures thereof are suitable as substrate material. The fibers contained in the fiber material a) comprise or consist preferably of carbon fibers (carbon fibers, carbon fibers). Such fiber materials particularly advantageously meet the requirements placed on the GDL for gas diffusivity, liquid water permeability, electrical and thermal conductivity. The carbon fibers can be produced in the usual way, with polyacrylonitrile fibers (PAN fibers) preferably being used as the starting material. PAN fibers are produced by radical polymerization of a monomer composition which preferably contains at least 90% by weight, based on the total weight of the monomers used for the polymerization, of acrylonitrile. The polymer solution obtained is, for. B. by wet spinning and coagulation, spun into filaments and combined into ropes. Before this PAN precursor is converted to carbon fibers at high temperatures, it is usually subjected to an oxidative cyclization (also referred to as oxidation) in an oxygen-containing atmosphere at elevated temperatures of around 180 to 300 ° C. The resulting chemical crosslinking improves the dimensional stability of the fibers. The actual pyrolysis to carbon fibers then takes place at temperatures of at least 1200 ° C. For this pyrolysis, depending on the shape of the desired fiber material, either the starting fibers or a flat fiber material can be used. Depending on the temperature during pyrolysis, a distinction is made between carbonization and graphitization. Carbonization refers to a treatment at around 1200 to 1500 ° C under an inert gas atmosphere, which leads to the elimination of volatile products. So-called high-modulus or graphite fibers are obtained through graphitization, ie heating to around 2000 to 3000 ° C under inert gas. These fibers have a high degree of purity, are light, very strong and very good conductive for electricity and heat.
Das Fasermaterial a) ist vorzugsweise ausgewählt unter Kohlefaser-Geweben, Kohlefaser-Papieren und Kohlefaser-Vliesstoffen. Bei Kohlefasergeweben wird das flächige Fasermaterial durch das Verkreuzen von zwei Fadensystemen, Kette (Kettfäden) und Schuss (Schussfäden), hergestellt. Wie bei Textilien werden Faserbündel flexibel, aber unlösbar miteinander verbunden. Zur Fierstellung von Kohlefasergeweben werden vorzugsweise oxidierte, aber noch nicht karbonisierte oder graphitierte PAN-Fasern eingesetzt. Die Karbonisierung oder Graphitierung, um dem flächigen Fasermaterial elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, erfolgt nach dem Weben. The fiber material a) is preferably selected from carbon fiber fabrics, carbon fiber papers and carbon fiber nonwovens. In the case of carbon fiber fabrics, the flat fiber material is produced by crossing two thread systems, warp (warp threads) and weft (weft threads). As with textiles, fiber bundles are flexibly but inextricably linked. For the production of carbon fiber fabrics, oxidized, but not yet carbonized or graphitized PAN fibers are preferably used. The carbonization or graphitization, in order to give the flat fiber material electrical conductivity, takes place after weaving.
Wie eingangs beschrieben, werden zur Fierstellung von Kohlefaser-Papieren in der Regel oxidierte PAN-Fasern eingesetzt. Diese werden in an sich bekannter Weise zu Faserbruchstücken zerkleinert, aufgeschlämmt und analog zur Papierherstellung durch Sieben (Bütten) ein Fasergelege hergestellt und getrocknet. In einer bevorzugten Ausführung wird in das Papier zusätzlich wenigstens ein Bindemittel eingebracht. Geeignete Bindemittel sind z. B. Phenol-, Furan-, Polyimidharze, etc. Zum Einbringen des Bindemittels kann das Papier mit diesem imprägniert und das Bindemittel gegebenenfalls anschließend gehärtet werden. Nach dem Imprägnieren und Flärten wird das Kohlefaser-Papier nochmals einer Karbonisierung/Graphitisierung unterzogen, um auch das Bindemittel in Verbindungen mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit zu überführen. In einerweiteren geeigneten Ausführung wird zur Bereitstellung des Fasermaterials a) ein gefülltes Kohlefaser-Papier eingesetzt. Die Fierstellung erfolgt zunächst wie zuvor beschrieben, jedoch wird anstelle des Einbringens eines Bindemittels und der Karbonisierung/Graphitisierung ein Füllstoff aus einem Kohlenstoffmaterial in einem polymeren Binder in das noch feuchte Papier eingebracht. Speziell wird dazu ein Kohlenstoff-PTFE-Füllstoff eingesetzt. Durch diese Füllung wird die thermische und elektrische Leitfähigkeit so erhöht, dass eine Karbonisierung/Graphitisierung entfallen kann. As described at the beginning, oxidized PAN fibers are generally used to produce carbon fiber papers. These are comminuted into fiber fragments in a manner known per se, slurried and, analogously to paper production, a fiber scrim is produced by sieving (laid paper) and dried. In a preferred embodiment, at least one binding agent is additionally introduced into the paper. Suitable binders are e.g. B. phenolic, furan, polyimide resins, etc. To introduce the binder, the paper can be impregnated with this and the binder can then be hardened if necessary. After impregnation and hardening, the carbon fiber paper is once again subjected to carbonization / graphitization in order to convert the binder into compounds with improved electrical conductivity. In a further suitable embodiment, a filled carbon fiber paper is used to provide the fiber material a). Fiering is initially carried out as described above, but instead of introducing a binding agent and carbonizing / graphitizing a filler made of a carbon material in a polymeric binder, the still moist paper is introduced. A carbon-PTFE filler is used specifically for this purpose. Through this Filling, the thermal and electrical conductivity is increased so that carbonization / graphitization can be omitted.
Zur Herstellung von Kohlefaser-Vliesstoffen können nicht oxidierte oder oxidierte PAN- Fasern eingesetzt werden. Diese können in einem ersten Schritt trocken zu einem Flor gelegt (kardiert) und anschließend zu einem Vlies verfestigt werden. Dies kann beispielsweise durch Wasserstrahlverfilzung (hydro-entangling) erfolgen, wobei die Karbonfasern orientiert, verschränkt und somit mechanisch stabilisiert werden. Gegebenenfalls kann die Dicke des verfestigten Vliesstoffs auf einen gewünschten Wert kalibriert werden. Vliese auf Basis nicht oxidierter PAN-Fasern werden nach dem Vlieslegen und Verfestigen zunächst der Oxidation bei erhöhter Temperatur und unter Sauerstoffatmosphäre und anschließend der Karbonisierung/Graphitisierung unter Inertgasatmosphäre unterzogen. Vliese auf Basis oxidierter PAN-Fasern werden nach dem Vlieslegen und Verfestigen nur einer Karbonisierung/Graphitisierung unterzogen. Optional kann in das Vlies zusätzlich wenigstens ein Bindemittel eingebracht und dieses gegebenenfalls anschließend gehärtet werden. Geeignete Bindemittel sind die für Kohlefaser-Papiere genannten, speziell Phenolharze. Das Einbringen des Bindemittels kann sich z. B. an die Karbonisierung/Graphitisierung anschließen und das erhaltene imprägnierte Vlies abschließend nochmals karbonisiert/graphitisiert werden. Non-oxidized or oxidized PAN fibers can be used to manufacture carbon fiber nonwovens. In a first step, these can be laid dry to form a pile (carded) and then consolidated into a fleece. This can be done, for example, by water-jet entangling (hydro-entangling), with the carbon fibers being oriented, interlaced and thus mechanically stabilized. If necessary, the thickness of the bonded nonwoven fabric can be calibrated to a desired value. Nonwovens based on non-oxidized PAN fibers are first subjected to oxidation at elevated temperature and under an oxygen atmosphere and then to carbonization / graphitization under an inert gas atmosphere after the nonwoven fabric has been laid and solidified. Nonwovens based on oxidized PAN fibers are only subjected to carbonization / graphitization after the laying and consolidation of the nonwoven. Optionally, at least one binding agent can additionally be introduced into the fleece and this can then be hardened if necessary. Suitable binders are those mentioned for carbon fiber papers, especially phenolic resins. The introduction of the binder can be, for. B. connect to the carbonization / graphitization and the impregnated fleece obtained are finally carbonized / graphitized again.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst das flächige elektrisch leitfähige Fasermaterial a) wenigstens einen Kohlefaser-Vliesstoff. Diese sind unter Anderem vorteilhaft, da sie kompressionselastisch sind und einfach großtechnisch, z. B. in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, hergestellt werden können. Bei dem Fasermaterial a) handelt es sich in der Regel um einen Faserverbundwerkstoff, umfassend: a1) Kohlenstofffasern, a2) gegebenenfalls wenigstens ein polymeres Bindemittel und/oder ein Pyrolyseprodukt davon, a3) gegebenenfalls wenigstens ein weiteres, von a2) verschiedenes Additiv. In a special embodiment, the flat, electrically conductive fiber material a) comprises at least one carbon fiber nonwoven. These are advantageous, among other things, because they are compression-elastic and easy to use on a large scale, e.g. B. in a roll-to-roll process. The fiber material a) is generally a fiber composite material comprising: a1) carbon fibers, a2) optionally at least one polymeric binder and / or a pyrolysis product thereof, a3) optionally at least one further additive different from a2).
Die in der Gasdiffusionslage enthaltenen Fasermaterialien a) können übliche Additive a3) enthalten. Diese sind vorzugsweise ausgewählt unter Flydrophobisierungsmitteln, leitfähigkeitsverbessernden Additiven, oberflächenaktiven Substanzen und Mischungen davon. The fiber materials a) contained in the gas diffusion layer can contain conventional additives a3). These are preferably selected from flydrophobizing agents, conductivity-improving additives, surface-active substances and mixtures thereof.
Um die Transportvorgänge durch die GDL und an den Grenzflächen zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, die Flydrophobizität des Fasermaterials a) zu erhöhen. Geeignete Hydrophobisierungsmittel sind fluorhaltige Polymere, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymere (FEP). Bevorzugt wird als Hydrophobisierungsmittel PTFE eingesetzt. Das Fasermaterial kann durch übliche Imprägnierungsverfahren mit dem Hydrophobierungsmittel ausgerüstet werden. Dazu kann eine PTFE-Dispersion in einem Tauchbad appliziert, das Lösungsmittel verdampft und das behandelte Fasermaterial bei erhöhten Temperaturen von in der Regel wenigstens 300 °C gesintert werden. Bevorzugt weist das Fasermaterial a) einen Gehalt an Hydrophobierungsmitteln von 3 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials a), auf. In einer speziellen Ausführungsform weist das Fasermaterial einen Gehalt an PTFE von 3 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials a), auf. In order to improve the transport processes through the GDL and at the interfaces, it can be advantageous to increase the flydrophobicity of the fiber material a). Suitable hydrophobizing agents are fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP). The hydrophobizing agent used is preferably PTFE. The fiber material can be finished with the water repellent by customary impregnation processes. For this purpose, a PTFE dispersion can be applied in an immersion bath, the solvent evaporated and the treated fiber material sintered at elevated temperatures of generally at least 300.degree. The fiber material a) preferably has a content of water repellants of 3 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a). In a special embodiment, the fiber material has a PTFE content of 3 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a).
Zur Verbesserung der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit kann das Fasermaterial a) mit wenigstens einem leitfähigkeitsverbessernden Additiv ausgerüstet werden. Geeignete leitfähigkeitsverbessernde Additive sind z. B. Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, etc. Bevorzugt ist das leitfähigkeitsverbessernde Additiv ausgewählt unter Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern und Mischungen davon. Die Ausrüstung des Fasermaterials a) mit wenigstens einem leitfähigkeitsverbessernden Additiv kann beispielsweise gemeinsam mit dem Hydrophobierungsmittel, speziell einer PTFE-Dispersion, erfolgen. Vielfach verfügt das Fasermaterial a) durch die eingesetzten Kohlenstofffasern auch ohne leitfähigkeitsverbessernde Additive über eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. To improve the electrical and thermal conductivity, the fiber material a) can be equipped with at least one conductivity-improving additive. Suitable conductivity-improving additives are, for. B. metal particles, carbon particles, etc. The conductivity-improving additive is preferably selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers and mixtures thereof. The fiber material a) can be provided with at least one conductivity-improving additive, for example, together with the water repellent, especially a PTFE dispersion. In many cases, the fiber material a) has good electrical and thermal conductivity due to the carbon fibers used, even without conductivity-improving additives.
Bevorzugt weist das Fasermaterial a) einen Gehalt an leitfähigkeitsverbessernden Additiven von 0 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials a), auf. Wenn das Fasermaterial a) ein leitfähigkeitsverbesserndes Additiv enthält, dann vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Fasermaterials a), auf. The fiber material a) preferably has a content of conductivity-improving additives of 0 to 40% by weight, based on the total weight of the fiber material a). If the fiber material a) contains a conductivity-improving additive, then preferably in an amount from 0.1 to 40% by weight, particularly preferably from 0.5 to 30% by weight, based on the total weight of the fiber material a).
Das Fasermaterial a) weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 bis 500 pm, besonders bevorzugt von 100 bis 400 pm auf. Diese Dicke bezieht sich auf den unkomprimierten Zustand des Fasermaterials a), d. h. vor dem Einbau der GDL in eine Brennstoffzelle. The fiber material a) preferably has a thickness in the range from 50 to 500 μm, particularly preferably from 100 to 400 μm. This thickness refers to the uncompressed state of the fiber material a), ie before the GDL is installed in a fuel cell.
Das Fasermaterial a) weist vorzugsweise eine Porosität im Bereich von 10 bis 90 %, besonders bevorzugt von 20 bis 85 %, auf. Die Porosität des Fasermaterials lässt sich bei bekannter Faserdichte aus der gemessenen Dicke und dem gemessenen Flächengewicht berechnen. So gilt für eine Kohlenstoff-Faserdichte von 1 ,8 g/cm3: Porosität [%] = [(1 ,8-Flächengewicht/Dicke)/1 ,8] x 100. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Dichte der Gasdiffusionslage per Flelium-Dichtemessung und das spezifische Porenvolumen per Quecksilber-Porosimetrie zu bestimmen. Die Porosität berechnet sich dann wie folgt: Porosität [%] = spezifisches Porenvolumen / (spezifisches Porenvolumen + 1 / Fle-Dichte) x 100 %.] The fiber material a) preferably has a porosity in the range from 10 to 90%, particularly preferably from 20 to 85%. If the fiber density is known, the porosity of the fiber material can be calculated from the measured thickness and the measured weight per unit area. For a carbon fiber density of 1.8 g / cm 3 : porosity [%] = [(1.8 weight per unit area / thickness) / 1.8] x 100. It is also possible to determine the density of the gas diffusion layer per Flelium -Density measurement and the specific pore volume to be determined using mercury porosimetry. The porosity is then calculated as follows: Porosity [%] = specific pore volume / (specific pore volume + 1 / fleece density) x 100%.]
Der mittlere Porendurchmesser des Fasermaterials a) liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 60 pm, besonders bevorzugt von 8 bis 50 gm, insbesondere von 10 bis 40 pm. Die Bestimmung des mittleren Porendurchmessers kann durch Quecksilber- Porosimetrie erfolgen. The mean pore diameter of the fiber material a) is preferably in a range from 5 to 60 μm, particularly preferably from 8 to 50 μm, in particular from 10 to 40 μm. The mean pore diameter can be determined using mercury porosimetry.
Die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage besteht aus einem zweilagigen Schichtverbund auf Basis eines flächigen, elektrisch leitfähigen Fasermaterials a) und einer mikroporösen Lage (MPL) b) auf einer der Flächen des Fasermaterials a). The gas diffusion layer according to the invention consists of a two-layer composite layer based on a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer (MPL) b) on one of the surfaces of the fiber material a).
Im Gegensatz zum makroporösen Fasermaterial a) ist die MPL mikroporös mit Porendurchmessern, die in der Regel deutlich unter einem Mikrometer liegen, bevorzugt von höchstens 900 nm, besonders bevorzugt von höchstens 500 nm, insbesondere von höchstens 300 nm. Der mittlere Porendurchmesser der M PL b) liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 200 nm, besonders bevorzugt von 10 bis 100 nm. Die Bestimmung des mittleren Porendurchmessers kann wiederum durch Quecksilber-Porosimetrie erfolgen. Die zuletzt genannten mittleren Porendurchmesser gelten vor allem für den Einsatz von Ruß als leitfähige Partikel in der MPL. Durch den Einsatz von Graphit als leitfähige Partikel in der MPL oder den Einsatz von Porenbildnern lassen sich auch deutlich größere MPL-Poren erzeugen. Je nach Zusammensetzung ist der mittlere Porendurchmesser dann z. B. größer als 1 pm. Bei Einsatz verschiedener leitfähiger Partikel kann der Porendurchmesser eine bimodale oder polymodale Verteilungskurve aufweisen. So kann beim Einsatz einer Mischung aus Ruß und Graphit eine Verteilung des Porendurchmessers mit zwei Porenpeaks (ein Ruß- und ein Graphit-Peak) erhalten werden. In contrast to the macroporous fiber material a), the MPL is microporous with pore diameters that are generally well below one micrometer, preferably of at most 900 nm, particularly preferably at most 500 nm, in particular of at most 300 nm. The mean pore diameter of the M PL b) is preferably in a range from 5 to 200 nm, particularly preferably from 10 to 100 nm. The mean pore diameter can in turn be determined by mercury porosimetry. The mean pore diameters mentioned last apply above all to the use of carbon black as conductive particles in the MPL. By using graphite as conductive particles in the MPL or the use of pore formers, significantly larger MPL pores can also be created. Depending on the composition, the mean pore diameter is then z. B. greater than 1 pm. When using different conductive particles, the pore diameter can have a bimodal or polymodal distribution curve. When using a mixture of carbon black and graphite, a distribution of the pore diameter with two pore peaks (one carbon black and one graphite peak) can be obtained.
Die MPL enthält leitfähige Kohlenstoffpartikel, vorzugsweise Ruß oder Graphit, in einer Matrix aus einem polymeren Binder. Bevorzugte Binder sind die zuvor genannten fluorhaltigen Polymere, speziell Polytetrafluorethylen (PTFE). The MPL contains conductive carbon particles, preferably carbon black or graphite, in a matrix made of a polymeric binder. Preferred binders are the aforementioned fluorine-containing polymers, especially polytetrafluoroethylene (PTFE).
Die mikroporöse Lage b) weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 10 bis 100 pm, besonders bevorzugt von 20 bis 50 pm auf. Diese Dicke bezieht sich auf den unkomprimierten Zustand der mikroporösen Lage b), d. h. vor dem Einbau der GDL in eine Brennstoffzelle. The microporous layer b) preferably has a thickness in the range from 10 to 100 μm, particularly preferably from 20 to 50 μm. This thickness relates to the uncompressed state of the microporous layer b), i. H. before installing the GDL in a fuel cell.
Das Vorhandensein der MPL hat einen großen Einfluss auf den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle. Aufgrund des hohen PTFE-Anteils und der kleineren Poren der MPL wird die Flutung der GDL und der Elektrode erschwert, indem die MPL als Flüssigwasserbarriere fungiert und somit den Massentransport der gasförmigen Reaktanden an den Katalysator begünstigt. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, wenn in der erfindungsgemäßen Gasdiffusionslage die mikroporöse Lage einen Eigenschaftsgradienten in Bezug auf ihre Grundfläche (in derx,y-Ebene) der GDL aufweist. The presence of the MPL has a major influence on the water balance of the fuel cell. Due to the high PTFE content and the smaller pores of the MPL, the flooding of the GDL and the electrode is made more difficult because the MPL as Liquid water barrier acts and thus promotes the mass transport of the gaseous reactants to the catalyst. It has been shown that it can be advantageous if, in the gas diffusion layer according to the invention, the microporous layer has a property gradient in relation to its base area (in the x, y plane) of the GDL.
Die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage weist vorzugsweise eine Dicke (Gesamtdicke aus Fasermaterial a) und MPL b)) im Bereich von 80 bis 1000 pm, besonders bevorzugt von 100 bis 500 pm auf. Diese Dicke bezieht sich auf den unkomprimierten Zustand der GDL, d. h. vor ihrem Einbau in eine Brennstoffzelle. The gas diffusion layer according to the invention preferably has a thickness (total thickness of fiber material a) and MPL b)) in the range from 80 to 1000 μm, particularly preferably from 100 to 500 μm. This thickness refers to the uncompressed state of the GDL; H. before installing them in a fuel cell.
Weiterhin besitzen die Gasdiffusionsschichten bevorzugt eine hohe Gesamtporosität. Diese liegt vorzugsweise im Bereich von 20 % bis 80%, bestimmt, wie zuvor beschrieben, durch Helium-Dichtemessung und Quecksilber-Porosimetrie. Furthermore, the gas diffusion layers preferably have a high overall porosity. This is preferably in the range from 20% to 80%, determined, as described above, by helium density measurement and mercury porosimetry.
Eigenschaftsgradient Property gradient
Wie zuvor erwähnt, können sowohl das flächige Fasermaterial a), als auch die mikroporöse Lage b), als auch beide wenigstens einen Eigenschaftsgradienten aufweisen. As mentioned above, both the flat fiber material a) and the microporous layer b), as well as both, can have at least one property gradient.
Die Eigenschaft, die den Gradienten aufweist, ist prinzipiell ausgewählt unter der chemischen Zusammensetzung des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), den mechanischen Eigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), den Transporteigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), The property exhibiting the gradient is in principle selected from the chemical composition of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the mechanical properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the transport properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b),
Kombinationen davon. Combinations of these.
Zu den chemischen Eigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), die einen Gradienten aufweisen können, zählen z. B. der Gehalt an Hydrophobierungsmitteln, Kohlenstoffpartikeln, etc. Dazu zählt speziell der Gehalt an PTFE, Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT),The chemical properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient, include, for. B. the content of water repellants, carbon particles, etc. This includes especially the content of PTFE, carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT),
Kohlenstoffnanofasern und Mischungen davon. Carbon nanofibers and mixtures thereof.
Zu den mechanischen Eigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), die einen Gradienten aufweisen können, zählen z. B. die Dichte, die flächenbezogene Masse, die Porosität und der mittlere Porendurchmesser. The mechanical properties of the sheet-like fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient, include, for. B. the density, the mass per unit area, the porosity and the mean pore diameter.
Die Bestimmung der Dichte in g/m3 kann durch Helium-Dichtemessung, wie zuvor beschrieben, erfolgen. The density in g / m 3 can be determined by measuring the helium density, as described above.
Die Bestimmung der flächenbezogenen Masse in g/m2 kann nach ISO 9073-1 bzw.The mass per unit area in g / m 2 can be determined according to ISO 9073-1 or
EN 29073-1:1992 erfolgen. EN 29073-1: 1992.
Die Porosität der GDL kann mittels verschiedener bekannter Messverfahren, wie z. B. Quecksilber-Porosimetrie oder Stickstoff-BET-Verfahren, bestimmt werden. Zur Erzeugung eines Gradienten bei den mechanischen Eigenschaften kann man beispielsweise das Kompressionsverhalten der mikroporösen Schicht mit einem Gradienten versehen, indem man deren Zusammensetzung bezüglich wenigstens eines ihrer Materialen variiert. Dadurch ändert sich auch die Anbindung an die Elektrode. Alternativ kann ein Gradient bei den mechanischen Eigenschaften erzeugt werden, indem man bei der Vliesverfestigung durch Wasserstrahlen einen Gradienten über die Materialbreite erzeugt. Dadurch werden mechanische Eigenschaften und der Wassertransport beeinflusst. The porosity of the GDL can be measured using various known measurement methods, such as B. mercury porosimetry or nitrogen BET method can be determined. To generate a gradient in the mechanical properties, for example, the compression behavior of the microporous layer can be provided with a gradient by varying its composition with respect to at least one of its materials. This also changes the connection to the electrode. Alternatively, a gradient in the mechanical properties can be created by creating a gradient across the width of the material during web consolidation by water jets. This influences mechanical properties and water transport.
Zu den Transporteigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), die einen Gradienten aufweisen können, zählen: die Gaspermeabilität des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), die Flüssigkeitspermeabilität des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), der elektrische Durchgangswiderstand der Gasdiffusionslage durch die Materialebene, der thermische Durchgangswiderstand der Gasdiffusionslage durch die Materialebene, die trockene Diffusionslänge. Die Gaspermeabilität senkrecht zur Materialebene kann über eine Gurley-Messung ermittelt werden, für die ein automatisiertes Gurley-Densometer der Firma Gurley Precision Instruments verwendet kann. Bei der Messung wird die Zeit in Sekunden ermittelt, bis 100 cm3 Luft bei konstanter Druckdifferenz senkrecht durch die GDL- Probe mit einer durchströmten Probenfläche von 6,42 cm2 geströmt sind. Die Bestimmung der Luftdurchlässigkeit nach Gurley ist in der ISO 5636-5 beschrieben. The transport properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), which can have a gradient, include: the gas permeability of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the liquid permeability of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the electrical volume resistance of the gas diffusion layer through the material plane, the thermal volume resistance of the gas diffusion layer through the material plane, the dry diffusion length. The gas permeability perpendicular to the plane of the material can be determined via a Gurley measurement, for which an automated Gurley densometer from Gurley Precision Instruments can be used. During the measurement, the time is determined in seconds until 100 cm 3 of air has flowed vertically through the GDL sample with a sample area of 6.42 cm 2 flowing through it at a constant pressure difference. The determination of the Gurley air permeability is described in ISO 5636-5.
Die Messung der Gaspermeabilität in l/m2 s kann auch nach DIN EN ISO 9237:1995-12 zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von textilen Flächengebilden erfolgen. The measurement of the gas permeability in l / m 2 s can also be carried out according to DIN EN ISO 9237: 1995-12 to determine the air permeability of textile fabrics.
Die Permeabilität für Flüssigkeiten, speziell für flüssiges Wasser, senkrecht zur Materialebene (Flüssig-Wasser-Permeabilität "through-plane") kann mit einer sogenannten "Filtration cell" oder nach der "Penn State "-Methode bestimmt werden [siehe Literaturstellen a - c]: [a] I. S. Hussaini and C. Y. Wang, "Measurement of relative permeability of fuel cell diffusion media," Journal of Power Sources, vol. 195, pp. 3830-3840, 2010; [b] J. D. Sole, "Investigation of water transport Parameters and processes in the gas diffusion layer of PEMFCs," Virginia Polytechnic Institute, 2008; The permeability for liquids, especially for liquid water, perpendicular to the plane of the material (liquid-water permeability "through-plane") can be determined with a so-called "filtration cell" or according to the "Penn State" method [see references ac ]: [a] IS Hussaini and CY Wang, "Measurement of relative permeability of fuel cell diffusion media," Journal of Power Sources, vol. 195, pp. 3830-3840, 2010; [b] J.D. Sole, "Investigation of water transport parameters and processes in the gas diffusion layer of PEMFCs," Virginia Polytechnic Institute, 2008;
[c] J. Benziger, J. Nehlsen, D. Blackwell, T. Brennan, and J. Itescu, "Water flow in the gas diffusion layer of PEM fuel cells," Journal of Membrane Science, vol. 261 , pp. 98- 106, 2005. [c] J. Benziger, J. Nehlsen, D. Blackwell, T. Brennan, and J. Itescu, "Water flow in the gas diffusion layer of PEM fuel cells," Journal of Membrane Science, vol. 261, pp. 98-106, 2005.
Für die Bestimmung des elektrischen Widerstandes durch die Ebene (through plane, TP) kann ein literaturbekanntes Verfahren mit der Bezeichnung Quasi-4-Punkt-Mes- sung genutzt werden. Eine separate Erfassung des Durchgangswiderstands der MPL ist mit dieser Methode nicht möglich. To determine the electrical resistance through the plane (through plane, TP), a method known from the literature with the designation quasi-4-point measuring solution can be used. A separate measurement of the volume resistance of the MPL is not possible with this method.
Für die Bestimmung des thermischen Widerstandes durch die Ebene (through plane, TP) können zwei bekannte Prüfverfahren verwendet werden, das Heat-Flow-Verfahren oder die Laser-Flash-Methode. Two known test methods can be used to determine the thermal resistance through the plane (through plane, TP), the heat flow method or the laser flash method.
Die trockene Diffusionslänge bezeichnet die tatsächliche Länge der Strecke, die ein Gasmolekül durch das flächige Fasermaterial a) und/oder die mikroporöse Lage b) in mΐti zurücklegt. Sie wird bestimmt mittels stationärer Wicke-Kallenbach-Zelle. The dry diffusion length describes the actual length of the distance that a gas molecule travels through the flat fiber material a) and / or the microporous layer b) in mΐti. It is determined using a stationary Wicke-Kallenbach cell.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mikroporöse Lage (MPL) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft auf. Die MPL weist den wenigstens einen Eigenschaftsgradienten in Bezug auf ihre Grundfläche, d. h. in der Draufsicht bzw. in der x,y-Ebene, auf. Gegebenenfalls kann die MPL zusätzlich einen Eigenschaftsgradienten senkrecht zu ihrer Grundfläche, d. h. in Richtung der z-Achse, aufweisen. In a preferred embodiment, the microporous layer (MPL) has at least one property gradient with regard to at least one chemical and / or physical property. The MPL has the at least one property gradient with respect to its base area, i. H. in plan view or in the x, y plane. If necessary, the MPL can also have a property gradient perpendicular to its base area, i. H. in the direction of the z-axis.
Bevorzugt weist die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4, speziell wenigstens 5, spezieller wenigstens 6 diskrete Bereiche auf, die sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. In dieser Ausführung ist Eigenschaftsänderung zwischen den Bereichen sprunghaft. Die einzelnen Bereiche können sich alle hinsichtlich derselben Eigenschaft oder (bei mehreren unterschiedlichen Eigenschaften) denselben Eigenschaften unterscheiden. Dies ist bevorzugt. Es ist jedoch auch möglich, dass sich zwei oder mehrere Bereiche hinsichtlich verschiedener Eigenschaften unterscheiden. In einer speziellen Ausführungsform weist die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4, speziell wenigstens 5, spezieller wenigstens 6 diskrete Bereiche auf, die sich alle hinsichtlich ein und derselben Eigenschaft unterscheiden. The microporous layer preferably has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4, specifically at least 5, more specifically at least 6 discrete areas which differ in at least one property. In this embodiment, the change in properties between the areas is abrupt. The individual areas can all differ with regard to the same property or (in the case of several different properties) the same properties. This is preferred. However, it is also possible that two or more areas differ with regard to different properties. In a special embodiment, the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4, especially at least 5, more especially at least 6 discrete areas which all differ with regard to one and the same property.
In einer speziellen Ausführung ist jeder einzelne Bereich bezüglich seiner Eigenschaften im Wesentlichen homogen. Unter im Wesentlichen homogen wird dabei verstanden, dass innerhalb eines Bereichs nur solche Eigenschaftsschwankungen auftreten, wie sie auch dann (z. B. herstellungsbedingt) auftreten, wenn nicht bewusst ein Gradient erzeugt wird. In a special embodiment, each individual area is essentially homogeneous with regard to its properties. In this context, essentially homogeneous is understood to mean that within a range only those property fluctuations occur as they also occur (e.g. due to production) if a gradient is not consciously created.
In einer alternativen Ausführungsform weist die mikroporöse Lage wenigstens einen kontinuierlichen Eigenschaftsgradienten auf. In an alternative embodiment, the microporous layer has at least one continuous property gradient.
Bevorzugt weist die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 lateral aneinandergrenzende Streifen auf, die sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. In einer speziellen Ausführungsform weist die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 lateral aneinandergrenzende Streifen auf, die sich alle hinsichtlich ein und derselben Eigenschaft unterscheiden. Speziell ist jeder einzelne Streifen bezüglich seiner Eigenschaften im Wesentlichen homogen. The microporous layer preferably has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips which differ in at least one property. In a special embodiment, the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips, which all differ with regard to one and the same property. In particular, each individual strip is essentially homogeneous with regard to its properties.
Bevorzugt ist die Eigenschaft der mikroporösen Lage, die einen Gradienten aufweist, ausgewählt unter der Gaspermeabilität nach Gurley und der trockenen Diffusionslänge. The property of the microporous layer, which has a gradient, is preferably selected from Gurley gas permeability and dry diffusion length.
Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionslage Method for producing a gas diffusion layer
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial a) und eine mikroporöse Lage b) auf einer der Flächen des Fasermaterials umfasst, wobei die mikroporöse Lage in Bezug auf die Grundfläche der Gasdiffusionslage (in der x,y-Ebene) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft aufweist, bei dem man i) ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial a) bereitstellt, ii) das in Schritt i) bereitgestellte Fasermaterial mit einem Precursor zur Ausbildung einer mikroporösen Lage beschichtet, wobei die Zusammensetzung des Precursors während des Beschichtens zur Erzeugung eines Gradienten variiert wird, iii) das in Schritt ii) erhaltene beschichtete Fasermaterial einer thermischen Nachbehandlung unterzieht. Another object of the invention is a method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer b) on one of the surfaces of the fiber material, the microporous layer in relation to the base area of the gas diffusion layer ( in the x, y plane) has at least one property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property, in which i) a flat, electrically conductive fiber material a) is provided, ii) the fiber material provided in step i) with a precursor for formation coated a microporous layer, the composition of the precursor being varied during the coating to produce a gradient, iii) subjecting the coated fiber material obtained in step ii) to a thermal aftertreatment.
Bezüglich der in Schritt i) eingesetzten geeigneten und bevorzugten Fasermaterialien a) wird auf die vorherigen Ausführungen in vollem Umfang Bezug genommen. Die in Schritt b) eingesetzten Precursoren enthalten vorzugsweise wenigstens ein fluorhaltiges Polymer, wenigstens ein Kohlenstoffmaterial und gegebenenfalls wenigstens einen Porenbildner. Die fluorhaltigen Polymere sind vorzugsweise ausgewählt unter Polytetrafluorethylen (PTFE) und Tetrafluorethylen- Hexafluorpropylen-Copolymeren (FEP). Bevorzugt wird PTFE eingesetzt. Bevorzugt ist das Kohlenstoffmaterial ausgewählt unter Ruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren (CNT), Kohlenstoffnanofasern und Mischungen davon. Bevorzugt wird Ruß oder Graphit eingesetzt. In einer speziellen Ausführung enthalten die in Schritt b) eingesetzten Precursoren wenigstens einen Porenbildner. Geeignete Porenbildner sind kommerziell erhältliche Kunststoffpartikel, z. B. aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Eine geeignete Teilchengröße liegt im Bereich von 10 bis 100 mΐti. With regard to the suitable and preferred fiber materials a) used in step i), reference is made in full to the previous statements. The precursors used in step b) preferably contain at least one fluorine-containing polymer, at least one carbon material and, if appropriate, at least one pore former. The fluorine-containing polymers are preferably selected from polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymers (FEP). PTFE is preferred. The carbon material is preferably selected from carbon black, graphite, graphene, carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers and mixtures thereof. Carbon black or graphite is preferably used. In a special embodiment, the precursors used in step b) contain at least one pore former. Suitable pore formers are commercially available plastic particles, e.g. B. made of polymethyl methacrylate (PMMA). A suitable particle size is in the range from 10 to 100 mΐti.
Bevorzugt beträgt der Volumenanteil der Poren in der fertigen mikroporösen Schicht, der auf den Einsatz eines Porenbildners zurückzuführen ist, 0 bis 70 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Poren in der fertigen mikroporösen Schicht. The proportion by volume of the pores in the finished microporous layer which can be attributed to the use of a pore former is preferably from 0 to 70% by volume, based on the total volume of the pores in the finished microporous layer.
Bevorzugt wird das Fasermaterial a) mit wenigstens 2, bevorzugt wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 lateral aneinandergrenzenden Streifen von Precursoren unterschiedlicher Zusammensetzung zur Ausbildung einer mikroporösen Lage beschichtet. Aufträgen der MPL kann auf verschiedene Arten erfolgen. Während in einer diskontinuierlichen Herstellung häufig Sprüh-, Siebdruck- oder Meyer-Rod- Verfahren eingesetzt werden, kommen bei der kontinuierlichen Beschichtung bevorzugt Rakel-, Schlitzdüsen- und Gravurwalzenprozesse zum Einsatz. Dabei können die MPL-Schichtdicke und die Eindringtiefe durch die Beschichtungsprozessparameter sowie die Viskosität der Beschichtung beeinflusst werden. Abschließend erfolgt eine erneute thermische Behandlung, z. B. in einem Trocknungs- und Sinterofen. Dabei kann zunächst eine Trocknung bei einer Temperatur von 100 bis 200 °C und anschließend eine Sinterung bei einer Temperatur von 300 bis 500 °C erfolgen. The fiber material a) is preferably coated with at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips of precursors of different composition to form a microporous layer. Orders from the MPL can be carried out in various ways. While spray, screen printing or Meyer Rod processes are often used in discontinuous production, squeegee, slot nozzle and engraved roller processes are preferred for continuous coating. The MPL layer thickness and the penetration depth can be determined by the Coating process parameters and the viscosity of the coating can be influenced. Finally, there is another thermal treatment, e.g. B. in a drying and sintering furnace. First, drying at a temperature of 100 to 200 ° C and then sintering at a temperature of 300 to 500 ° C can take place.
Brennstoffzelle Fuel cell
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Gasdiffusionslage, wie zuvor definiert oder erhältlich durch ein Verfahren, wie zuvor definiert. Another subject matter of the invention is a fuel cell comprising at least one gas diffusion layer as defined above or obtainable by a method as defined above.
Prinzipiell eignet sich die erfindungsgemäße Gasdiffusionslage für alle üblichen Brennstoffzelltypen, speziell Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran- Brennstoffzellen (PEMFC). Auf die zuvor gemachten Ausführungen zum Aufbau von Brennstoffzellen wird in vollem Umfang Bezug genommen. In principle, the gas diffusion layer according to the invention is suitable for all conventional fuel cell types, especially low-temperature proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Reference is made in full to the statements made above on the structure of fuel cells.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Transportprozesse durch die Gasdiffusionslage gezielt an die Gradienten der durch die Brennstoffzelle strömenden Betriebsmedien und/oder der Betriebsparameter der Brennstoffzelle angepasst werden können. Dazu korrespondiert in der Regel wenigstens ein Eigenschaftsgradient der Gasdiffusionslage mit wenigstens einem der Eigenschaftsgradienten der durch die Brennstoffzelle strömenden Betriebsmedien und/oder der Betriebsparameter derIt is an advantage of the invention that the transport processes through the gas diffusion layer can be specifically adapted to the gradients of the operating media flowing through the fuel cell and / or the operating parameters of the fuel cell. For this purpose, at least one property gradient of the gas diffusion layer generally corresponds to at least one of the property gradients of the operating media flowing through the fuel cell and / or the operating parameters of the
Brennstoffzelle. FIGURENBESCHREIBUNG Fuel cell. FIGURE DESCRIPTION
Abbildung 1 zeigt die Draufsicht auf ein GDL-Material, dessen Herstellung in Beispiel 1 beschrieben ist. Auf ein Faservlies im DIN A3-Format (29,7 x 42 cm, wobei md die Maschinenrichtung bezeichnet) wurden in Längsrichtung 4 lateral aneinandergrenzende Streifen mit 4 verschiedenen MPL-Pasten (Paste 1 bis 4) in einer Breite von jeweils 7 bis 8 cm aufgetragen. Aus dem getrockneten und gesinterten Material wurden Gasdiffusionslagen im Format 274,8 x 96,5 mm mit der langen Seite quer zur Maschinenrichtung ausgestanzt. Abbildung 1 zeigt 3 alternative Stanzpositionen (GDL 1 bis 3). Die erhaltenen GDL weisen einen Eigenschaftsgradienten in Richtung der x-Achse auf, wobei GDL 1 über 4 Streifen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften und die GDL 2 und 3 je über 3 Streifen mit unterschiedlichen Eigenschaften verfügen. FIG. 1 shows the top view of a GDL material, the production of which is described in Example 1. On a fiber fleece in DIN A3 format (29.7 x 42 cm, where md denotes the machine direction), 4 laterally adjacent strips with 4 different MPL pastes (paste 1 to 4) each 7 to 8 cm wide were placed in the longitudinal direction applied. Gas diffusion layers in the format 274.8 x 96.5 mm were punched out of the dried and sintered material with the long side transverse to the machine direction. Figure 1 shows 3 alternative punching positions (GDL 1 to 3). The GDL obtained have a property gradient in the direction of the x-axis, GDL 1 having 4 strips each with different properties and GDL 2 and 3 each having 3 strips with different properties.
Abbildung 2 zeigt die gemäß Beispiel 2 ermittelte Stromdichteverteilung an der Kathode einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit mit einer MPL, die einen Eigenschaftsgradienten aufweist (Kreise), und einer nicht erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit ohne Eigenschaftsgradienten (Quadrate). Figure 2 shows the current density distribution determined according to Example 2 at the cathode of a membrane electrode unit according to the invention with an MPL that has a property gradient (circles) and a membrane electrode unit not according to the invention without property gradients (squares).
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, ohne sie in irgendeiner Weise zu beschränken. The following examples serve to illustrate the invention without restricting it in any way.
BEISPIELE EXAMPLES
Beispiel 1 : Herstellung einer Gasdiffusionslage mit Eigenschaftsgradient in x-Richtung Example 1 : Production of a gas diffusion layer with a property gradient in the x-direction
Von einem kommerziell erhältlichen elektrisch leitfähigen Faservlies mit einer Dicke von 0,145 mm, einem Flächengewicht von 60 g/m2 und einem Durchgangswiderstand (through plane) bei 1 MPa Verpressung von 6,6 mOcm2 wurden Blätter im DIN A3- Format (29,7 x 42 cm) in Längsrichtung (Maschinenrichtung, md) von der GDL-Rolle ausgestanzt und einzeln beschichtet. Zur Erzeugung einer mikroporösen Schicht mit einem Eigenschaftsgradienten wurden in Längsrichtung des Faservlieses 4 lateral aneinandergrenzende Streifen mit MPL-Pasten in einer Breite von jeweils 7 bis 8 cm aufgetragen (siehe Figur 1). Die Pasten hatten eine Zusammensetzung gemäß Tabelle 1. Zu ihrer Herstellung wurden PTFE, verschiedene Kohlenstoffe und Kunststoffpartikel als Porenbildner in destilliertem Wasser dispergiert und durch Rakeln auf das Faser vlies aufgetragen. Anschließend wurden die Blätter bei 160 °C getrocknet und bei 400 °C gesintert. Die resultierenden MPL-Beladungen betrugen je nach Streifen 15 bis 22 g/m2. From a commercially available electrically conductive fiber fleece with a thickness of 0.145 mm, a weight per unit area of 60 g / m 2 and a through plane at 1 MPa compression of 6.6 mOcm 2 , sheets in A3 format (29.7 x 42 cm) in the longitudinal direction (machine direction, md) punched out from the GDL roll and coated individually. To produce a microporous layer with a property gradient, 4 laterally adjoining strips with MPL pastes in a width of 7 to 8 cm were applied in the longitudinal direction of the fiber fleece (see FIG. 1). The pastes had a composition according to Table 1. For their production, PTFE, various carbons and plastic particles were dispersed as pore-forming agents in distilled water and applied to the fiber fleece by knife coating. The leaves were then dried at 160.degree. C. and sintered at 400.degree. The resulting MPL loadings were 15 to 22 g / m 2, depending on the strip.
Tabelle 1 Table 1
1) jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste Aus den erhaltenen Blättern wurden Gasdiffusionslagen im Format 274,8 x 96,5 mm mit der langen Seite quer zur Maschinenrichtung ausgestanzt. Figur 1 zeigt 3 alternative Stanzpositionen. Die erhaltenen GDL weisen einen Eigenschaftsgradienten in Richtung der x-Achse auf, wobei GDL 1 über 4 Streifen mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften und die GDL 2 und 3 je über 3 Streifen mit unterschiedlichen Eigenschaften verfügen. 1) each based on the total weight of the paste Gas diffusion layers in the format 274.8 × 96.5 mm were punched out of the sheets obtained with the long side transverse to the machine direction. Figure 1 shows 3 alternative punching positions. The GDL obtained have a property gradient in the direction of the x-axis, GDL 1 having 4 strips each with different properties and GDL 2 and 3 each having 3 strips with different properties.
Zur Herstellung einer Brennstoffzelle, wie im Folgenden beschrieben, werden die GDL so verbaut, dass die x-Richtung (lange Seite) in der Richtung der direkten Verbindung zwischen Zuführung und Abführung der Betriebsstoffe zur Strömungsverteilerplatte liegt. Bei einer Strömungsverteilerplatte mit geraden Kanälen liegt somit die lange Seite der GDL parallel zu den Gaskanälen. Aber auch bei einem anderen Flowfield-Design kommt auf der Kathodenseite (Luftseite) der Brennstoffzelle der zugeführte 02-reiche Brennstoff zuerst mit der von Paste 1 gebildeten MPL und der abgeführte 02-arme Brennstoff mit der von Paste 4 gebildeten MPL in Kontakt. To produce a fuel cell, as described below, the GDL are installed in such a way that the x-direction (long side) lies in the direction of the direct connection between the supply and discharge of the operating materials to the flow distributor plate. In the case of a flow distributor plate with straight channels, the long side of the GDL is parallel to the gas channels. But even with another flowfield design, the supplied O 2 -rich fuel on the cathode side (air side) of the fuel cell first comes into contact with the MPL formed by paste 1 and the discharged 0 2- poor fuel with the MPL formed by paste 4.
Bei der GDL 1 gemäß Abbildung 1 wurde für jeden der 4 Streifen die Gurley-Gasper- meabilität senkrecht zur Materialebene mit einem Gurley-Densometer der Firma Gurley Precision Instruments gemäß ISO 5636-5 bestimmt. Die Ergebnisse sind Tabelle 2 zu entnehmen. In the case of the GDL 1 according to FIG. 1, the Gurley gas permeability perpendicular to the plane of the material was determined for each of the 4 strips using a Gurley densometer from Gurley Precision Instruments in accordance with ISO 5636-5. The results are shown in Table 2.
Bei der GDL 1 gemäß Abbildung 1 wurde zudem für jeden der 4 Streifen die trockene Diffusionslänge mit Hilfe einer stationären Wicke-Kallenbach-Zelle bestimmt. Die Ergebnisse sind ebenfalls Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2 In the case of the GDL 1 according to Figure 1, the dry diffusion length was also determined for each of the 4 strips with the aid of a stationary Wicke-Kallenbach cell. The results are also shown in Table 2. Table 2
Beispiel 2: Example 2:
Messung der Stromdichteverteilung Measurement of the current density distribution
Für eine in-situ-Messung der Stromdichteverteilung wurde zum einen eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit (MEA) eingesetzt, deren Kathode auf einer Gasdiffusionslage (GDL) beruhte, deren mikroporöse Schicht (MPL) einen Eigenschaftsgradienten in Längsrichtung des Faservlieses aus 4 lateral aneinandergrenzenden Streifen aufwies (GDL 1 aus Beispiel 1). Als Anode wurde eine herkömmliche GDL eingesetzt, deren MPL keinen Eigenschaftsgradienten aufwies. Zur ihrer Herstellung wurde die MPL-Paste 4 aus Beispiel 1 eingesetzt. Zum Vergleich diente eine MEA, deren Anode und Kathode eine nicht erfindungsgemäße GDL (ohne Eigenschaftsgradienten) analog zur Anode der erfindungsgemäßen MEA aufwies. For an in-situ measurement of the current density distribution, a membrane electrode unit (MEA) according to the invention was used, the cathode of which was based on a gas diffusion layer (GDL), the microporous layer (MPL) of which had a property gradient in the longitudinal direction of the fiber fleece made of 4 laterally adjacent one another Had stripes (GDL 1 from Example 1). A conventional GDL, the MPL of which had no property gradient, was used as the anode. The MPL paste 4 from Example 1 was used to produce it. An MEA was used for comparison, the anode and cathode of which had a GDL not according to the invention (without property gradient) analogous to the anode of the MEA according to the invention.
In dem Testsystem wurden der MEA Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Druck von jeweils 1 ,5 bar zugeführt, die relative Feuchte (RH) beider Gase vor Eintritt in die Messanordnung betrug jeweils 95% und die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle lag bei 74°C (Kühlmitteltemperatur am Auslass der Kathode). Die überschüssige Wasserstoffzufuhr lA betrug 1,2 die Menge an überschüssigem O2 lo betrug 2,0. Es wurde die Stromdichteverteilung an der Kathode bei einem Mittelwert der abgegriffenen Stromdichte von 1 ,8 A/cm2 mit einer Matrix von Messstellen bestimmt, die 22 Messorte im Verlauf der Hauptstromrichtung des Gases zwischen Kathodeneingang und Kathodenausgang sowie 9 Messorte senkrecht zur Hauptstromrichtung des Gases aufwies (d.h. 198 Messpunkte insgesamt). In the test system, the MEA was supplied with hydrogen and oxygen at a pressure of 1.5 bar each, the relative humidity (RH) of both gases before entry into the measuring arrangement was 95% and the operating temperature of the fuel cell was 74 ° C (coolant temperature on Outlet of the cathode). The excess Hydrogen supply I A was 1.2 and the amount of excess O2 lo was 2.0. The current density distribution at the cathode was determined at an average value of the tapped current density of 1.8 A / cm 2 with a matrix of measuring points, which had 22 measuring locations in the course of the main flow direction of the gas between cathode inlet and cathode outlet and 9 measuring locations perpendicular to the main flow direction of the gas (ie 198 measuring points in total).
Abbildung 2 zeigt die ermittelte Stromdichteverteilung an der Kathode der erfindungsgemäßen (Kurve mit kreisförmigen Symbolen) und nicht erfindungsgemäßen (Kurve mit quadratischen Symbolen) MEA. Die Kurven zeigen für jeden Messort 1 bis 22 in Hauptstromrichtung des Gases die Mittelwerte über die 9 Messorte senkrecht zur Hauptstromrichtung des Gases. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäße GDL eine gleichmäßigere Stromdichteverteilung aufweist als die Vergleichs-GDL. Figure 2 shows the current density distribution determined at the cathode of the MEA according to the invention (curve with circular symbols) and not according to the invention (curve with square symbols). For each measuring location 1 to 22 in the main flow direction of the gas, the curves show the mean values over the 9 measuring locations perpendicular to the main flow direction of the gas. It can be seen that the GDL according to the invention has a more uniform current density distribution than the comparison GDL.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, umfassend a) ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial und b) eine mikroporöse Lage auf einer der Flächen des Fasermaterials, wobei die Gasdiffusionslage in Bezug auf ihre Grundfläche (in derx,y-Ebene) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft aufweist. 1. Gas diffusion layer for a fuel cell, comprising a) a flat, electrically conductive fiber material and b) a microporous layer on one of the surfaces of the fiber material, the gas diffusion layer with respect to its base area (in the x, y plane) at least one property gradient with respect to at least one has chemical and / or physical property.
2. Gasdiffusionslage nach Anspruch 1 , wobei die mikroporöse Lage wenigstens einen Eigenschaftsgradienten aufweist. 2. Gas diffusion layer according to claim 1, wherein the microporous layer has at least one property gradient.
3. Gasdiffusionslage nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mikroporöse Lage einen kontinuierlichen oder sprunghaften Eigenschaftsgradienten aufweist, der sich in Abhängigkeit vom Ort monoton ändert. 3. Gas diffusion layer according to claim 1 or 2, wherein the microporous layer has a continuous or abrupt property gradient which changes monotonically as a function of the location.
4. Gasdiffusionslage nach Anspruch 2 oder 3, wobei die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 Bereiche aufweist, die sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. 4. Gas diffusion layer according to claim 2 or 3, wherein the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 regions which differ in at least one property.
5. Gasdiffusionslage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die mikroporöse Lage wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, insbesondere wenigstens 4 lateral aneinandergrenzende Streifen aufweist, die sich in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden. 5. Gas diffusion layer according to one of claims 2 to 4, wherein the microporous layer has at least 2, preferably at least 3, in particular at least 4 laterally adjoining strips which differ in at least one property.
6. Gasdiffusionslage nach Anspruch 5, wobei jeder einzelne Streifen bezüglich seiner Eigenschaften im Wesentlichen homogen ist. 6. Gas diffusion layer according to claim 5, wherein each individual strip is substantially homogeneous with regard to its properties.
7. Gasdiffusionslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft, die einen Gradienten aufweist, ausgewählt ist unter der chemischen Zusammensetzung des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), den mechanischen Eigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), den Transporteigenschaften des flächigen Fasermaterials a) und/oder der mikroporösen Lage b), 7. Gas diffusion layer according to one of the preceding claims, wherein the property having a gradient is selected from the chemical composition of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the mechanical properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b), the transport properties of the flat fiber material a) and / or the microporous layer b),
Kombinationen davon. Combinations of these.
8. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionslage für eine Brennstoffzelle, die ein flächiges elektrisch leitfähiges Fasermaterial a) und eine mikroporöse Lage b) auf einer der Flächen des Fasermaterials umfasst, wobei die mikroporöse Lage in Bezug auf die Grundfläche der Gasdiffusionslage (in derx,y-Ebene) wenigstens einen Eigenschaftsgradienten bezüglich wenigstens einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft aufweist, bei dem man i) ein flächiges elektrisch leitfähigen Fasermaterial a) bereitstellt, ii) das in Schritt i) bereitgestellte Fasermaterial mit einem Precursor zur Ausbildung einer mikroporösen Lage beschichtet, wobei die Zusammensetzung des Precursors während des Beschichtens zur Erzeugung eines Gradienten variiert wird, iii) das in Schritt ii) erhaltene beschichtete Fasermaterial einer thermischen Nachbehandlung unterzieht. 8. A method for producing a gas diffusion layer for a fuel cell, which comprises a flat, electrically conductive fiber material a) and a microporous layer b) on one of the surfaces of the fiber material, the microporous layer in relation to the base area of the gas diffusion layer (in derx, y- Level) has at least one property gradient with respect to at least one chemical and / or physical property, in which i) a flat, electrically conductive fiber material a) is provided, ii) the fiber material provided in step i) is coated with a precursor to form a microporous layer, wherein the composition of the precursor is varied during the coating to produce a gradient, iii) subjecting the coated fiber material obtained in step ii) to a thermal aftertreatment.
9. Verfahren nach einem der Anspruch 8, wobei die Zusammensetzung des Precursors während des Beschichtens so variiert wird, dass die mikroporöse Lage in Bezug auf die Grundfläche der Gasdiffusionslage (in der x,y-Ebene) wenigstens einen monotonen Eigenschaftsgradienten aufweist. 9. The method according to claim 8, wherein the composition of the precursor is varied during the coating so that the microporous layer has at least one monotonic property gradient with respect to the base area of the gas diffusion layer (in the x, y plane).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der in Schritt ii) eingesetzte Precursor wenigstens ein fluorhaltiges Polymer, wenigstens ein Kohlenstoffmaterial und gegebenenfalls wenigstens einen Porenbildner umfasst. 10. The method according to claim 8 or 9, wherein the precursor used in step ii) comprises at least one fluorine-containing polymer, at least one carbon material and optionally at least one pore former.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Fasermaterial mit wenigstens 2 lateral aneinandergrenzenden Streifen eines Precursors zur Ausbildung einer mikroporösen Lage beschichtet ist. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the fiber material is coated with at least 2 laterally adjoining strips of a precursor to form a microporous layer.
12. Brennstoffzelle, umfassend wenigstens eine Gasdiffusionslage, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert, oder erhältlich durch ein Verfahren, wie in einem der Ansprüche 8 bis 11 definiert. 12. A fuel cell comprising at least one gas diffusion layer as defined in one of claims 1 to 7, or obtainable by a method as defined in one of claims 8 to 11.
13. Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei wenigstens ein Eigenschaftsgradient der Gasdiffusionslage mit wenigstens einem der Eigenschaftsgradienten der durch die Brennstoffzelle strömenden Betriebsmedien und/oder der Betriebsparameter der Brennstoffzelle korrespondiert. 13. The fuel cell according to claim 12, wherein at least one property gradient of the gas diffusion layer corresponds to at least one of the property gradients of the operating media flowing through the fuel cell and / or the operating parameters of the fuel cell.
14. Verwendung einer Gasdiffusionslage, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert, oder erhältlich durch ein Verfahren, wie in einem der Ansprüche 8 bis 11 definiert, zur Herstellung von Brennstoffzellen mit verringerter Schwankung der Stromdichte über die Elektrodenflächen, speziell auf der Kathodenseite. 14. Use of a gas diffusion layer as defined in one of claims 1 to 7, or obtainable by a method as defined in one of claims 8 to 11, for the production of fuel cells with reduced fluctuations in the current density over the electrode surfaces, especially on the cathode side.
EP20803494.2A 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells Active EP4062472B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23211343.1A EP4303968A3 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019131343.0A DE102019131343A1 (en) 2019-11-20 2019-11-20 Gas diffusion layer for fuel cells
PCT/EP2020/081095 WO2021099129A1 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23211343.1A Division EP4303968A3 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells
EP23211343.1A Division-Into EP4303968A3 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP4062472A1 true EP4062472A1 (en) 2022-09-28
EP4062472B1 EP4062472B1 (en) 2024-01-17

Family

ID=73172686

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20803494.2A Active EP4062472B1 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells
EP23211343.1A Pending EP4303968A3 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23211343.1A Pending EP4303968A3 (en) 2019-11-20 2020-11-05 Gas diffusion layer for fuel cells

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20220393184A1 (en)
EP (2) EP4062472B1 (en)
JP (1) JP2023502262A (en)
KR (1) KR20220065000A (en)
CN (1) CN114641876A (en)
CA (1) CA3160120A1 (en)
DE (1) DE102019131343A1 (en)
DK (1) DK4062472T3 (en)
TW (1) TWI794685B (en)
WO (1) WO2021099129A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114221002B (en) * 2021-12-06 2024-03-15 极永新能源科技(上海)有限公司 High-performance membrane electrode for proton exchange membrane fuel cell and preparation method thereof
DE102022127228A1 (en) 2022-10-18 2024-04-18 Carl Freudenberg Kg Gas diffusion layer for fuel cells with property gradient and low plastic deformability and process for its production
DE102022127234A1 (en) 2022-10-18 2024-04-18 Carl Freudenberg Kg Gas diffusion layer with low plastic deformability and high surface quality and process for its production
CN116364947A (en) * 2023-03-10 2023-06-30 广东科创氢能源科技有限公司 Fuel cell membrane electrode with gradient structure and preparation method thereof

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19840517A1 (en) * 1998-09-04 2000-03-16 Manhattan Scientifics Inc Gas diffusion structure perpendicular to the membrane of polymer electrolyte membrane fuel cells
DE10050512A1 (en) 2000-10-11 2002-05-23 Freudenberg Carl Kg Conductive nonwoven
DE102005022484B4 (en) * 2005-05-11 2016-02-18 Carl Freudenberg Kg Gas diffusion layer and arrangement comprising two gas diffusion layers
US7785748B2 (en) * 2006-04-03 2010-08-31 University Of Delaware Nano-based gas diffusion media
JP2007323874A (en) * 2006-05-31 2007-12-13 Nissan Motor Co Ltd Conductive porous support, gas diffusion layer using this, and membrane electrode assembly with gas diffusion layer
JP2009238376A (en) * 2008-03-25 2009-10-15 Equos Research Co Ltd Fuel cell
JP2009245871A (en) * 2008-03-31 2009-10-22 Mizuho Information & Research Institute Inc Fuel cell, and electrode structure used for fuel cell
EP2228857A1 (en) 2009-03-06 2010-09-15 Basf Se Improved membrane electrode units
KR20100109733A (en) * 2009-04-01 2010-10-11 삼성전자주식회사 Electrode for fuel cell, preparation thereof and fuel cell comprising the same
WO2011100602A1 (en) * 2010-02-12 2011-08-18 Revolt Technology Ltd. Manufacturing methods for air electrode
US9461311B2 (en) * 2013-03-15 2016-10-04 Ford Global Technologies, Llc Microporous layer for a fuel cell
DE102014206333A1 (en) 2014-04-02 2015-10-08 Volkswagen Ag Bipolar plate and fuel cell with such a
JP6357923B2 (en) * 2014-07-01 2018-07-18 東レ株式会社 Gas diffusion electrode, manufacturing method and manufacturing apparatus thereof
CN110112425B (en) * 2019-04-18 2021-12-24 上海交通大学 Gas diffusion layer of proton exchange membrane fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019131343A1 (en) 2021-05-20
KR20220065000A (en) 2022-05-19
EP4303968A3 (en) 2024-03-06
TW202121722A (en) 2021-06-01
EP4062472B1 (en) 2024-01-17
JP2023502262A (en) 2023-01-23
CN114641876A (en) 2022-06-17
TWI794685B (en) 2023-03-01
WO2021099129A1 (en) 2021-05-27
DK4062472T3 (en) 2024-04-08
US20220393184A1 (en) 2022-12-08
EP4303968A2 (en) 2024-01-10
CA3160120A1 (en) 2021-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP4062472B1 (en) Gas diffusion layer for fuel cells
DE60319031T2 (en) Carbon fiber electrode substrate for electrochemical cells
DE112005002039B4 (en) Method for producing a diffusion medium with a microporous layer, fuel cell, fuel cell stack and method for operating the same
DE102008009724B4 (en) Diffusion medium for use in a PEM fuel cell
DE112004001943B4 (en) A production method for a diffusion medium for a fuel cell and fuel cell stack with such a diffusion medium
EP4016667B1 (en) Method for producing a gas diffusion layer
EP0968542A1 (en) Gas diffusion electrode with reduced diffusing capacity for water and polymer electrolyte membrane fuel cells
DE102007012718A1 (en) Acrylic fiber-bonded carbon fiber paper as a gas diffusion medium for a fuel cell
DE102010017397A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
EP2875544A1 (en) Electrically conductive sheet material
WO2008080454A1 (en) Stable temperature plasma treated formation, and method for the production thereof
DE102007012495B4 (en) METHOD FOR PRODUCING A DIFFUSION MEDIUM
DE102016125274A1 (en) CARBON NANO FIBER CATALYST SUBSTRATE
DE112004001665T5 (en) Low cost gas diffusion media for use in PEM fuel cells
WO2022037939A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cells, having improved bending properties
EP1784877A1 (en) Fibres for a textile material production and use thereof
EP4358197A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cells with gradient in property and low plastic formability and method for producing same
DE102022127228A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cells with property gradient and low plastic deformability and process for its production
EP3895240A1 (en) Hybrid gas diffusion layer for electrochemical cells
DE102022131492B3 (en) Gas diffusion layer for fuel cells with a microporous layer with reduced fluorine content
DE102022114789A1 (en) Gas diffusion layer made of hydroentangled nonwovens
EP4358196A1 (en) Gas diffusion layer with low plastic deformability and high surface quality and method for the production thereof
DE10260501A1 (en) Gas diffusion electrode for a fuel cell with a polymer electrolyte membrane has a layer containing hydrophilic non-hollow fibers for controlling the cross-diffusion of water
DE10244228B4 (en) Process for producing a gas diffusion electrode and its use
DE102022127234A1 (en) Gas diffusion layer with low plastic deformability and high surface quality and process for its production

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20220406

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20230510

GRAJ Information related to disapproval of communication of intention to grant by the applicant or resumption of examination proceedings by the epo deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTC Intention to grant announced (deleted)
INTG Intention to grant announced

Effective date: 20231002

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: BARSCH, HANNES

Inventor name: RAKOUSKY, CHRISTOPH

Inventor name: KLEIN, KRISTOF

Inventor name: BOCK, ACHIM

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

P01 Opt-out of the competence of the unified patent court (upc) registered

Effective date: 20231127

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502020006782

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: DK

Ref legal event code: T3

Effective date: 20240405